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Due recenti studi del professor Stefano Profumo dell’Università della California, Santa Cruz, propongono teorie che tentano di rispondere a una delle domande aperte più fondamentali della fisica moderna: qual è la natura particellare della materia oscura?
La scienza ha prodotto prove schiaccianti dell’esistenza di questa misteriosa sostanza, che rappresenta l’80% di tutta la materia dell’universo. La presenza della materia oscura spiega cosa lega insieme le galassie e le fa ruotare.
Scoperte come la struttura su larga scala dell’universo e le misurazioni della radiazione cosmica di fondo dimostrano anche che qualcosa di ancora indeterminato permea tutta quell’oscurità.
Ciò che rimane sconosciuto sono le origini della materia oscura e, quindi, quali sono le sue proprietà particellari? Queste importanti domande ricadono principalmente su fisici teorici come Profumo.
E in due articoli recenti, affronta queste domande da direzioni diverse, ma entrambi incentrati sull’idea che la materia oscura potrebbe essere emersa naturalmente dalle condizioni dell’universo primordiale, piuttosto che la materia oscura come una nuova particella esotica che interagisce con la materia ordinaria in qualche modo rilevabile.
Lo studio più recente, pubblicato l’8 luglio su Physical Review D, esplora se la materia oscura potrebbe essersi formata in un settore nascosto, una sorta di “mondo a specchio” con le sue versioni di particelle e forze.
Sebbene completamente invisibile agli esseri umani, questo settore d’ombra obbedirebbe a molte delle stesse leggi fisiche dell’universo conosciuto.
L’idea trae ispirazione dalla cromodinamica quantistica (QCD), la teoria che descrive come i quark siano legati insieme all’interno di protoni e neutroni dalla forza nucleare forte. L’Università della California di Santa Cruz ha radici profonde in questo settore: il professore emerito di fisica Michael Dine ha contribuito a creare modelli teorici che coinvolgono l’assione QCD, uno dei principali candidati alla materia oscura, mentre il professore di ricerca Abe Seiden ha contribuito a importanti sforzi sperimentali per sondare la struttura degli adroni, particelle fatte di quark, in esperimenti di fisica delle alte energie.
Nel nuovo lavoro di Profumo, la forza forte viene replicata nel settore oscuro come una teoria confinante della “QCD oscura”, con le sue particelle – quark scuri e gluoni scuri – che si legano insieme per formare particelle composite pesanti note come barioni oscuri.
In determinate condizioni nell’universo primordiale, questi barioni oscuri potrebbero diventare abbastanza densi e massicci da collassare sotto la loro stessa gravità in buchi neri estremamente piccoli e stabili, o oggetti che si comportano in modo molto simile ai buchi neri.
Questi resti simili a buchi neri sarebbero solo poche volte più pesanti della massa di Planck – la scala di massa fondamentale della gravità quantistica – ma se prodotti nella giusta quantità, potrebbero rappresentare tutta la materia oscura osservata oggi.
Poiché interagirebbero solo attraverso la gravità, sarebbero completamente invisibili ai rilevatori di particelle, ma la loro presenza modellerebbe l’universo su scale più grandi.
Questo scenario offre un nuovo quadro verificabile fondato su una fisica ben consolidata, estendendo al contempo l’esplorazione di lunga data dell’UC Santa Cruz su come i principi teorici profondi potrebbero aiutare a spiegare una delle più grandi questioni aperte in cosmologia.
L’altro recente studio di Profumo, pubblicato a maggio sulla stessa rivista, esplora se la materia oscura possa essere prodotta dall’espansione dell'”orizzonte cosmico” dell’universo, essenzialmente l’equivalente cosmologico dell’orizzonte degli eventi di un buco nero.
“Entrambi i meccanismi sono altamente speculativi, ma offrono scenari autonomi e calcolabili che non si basano su modelli convenzionali di materia oscura particellare, che sono sempre più sotto pressione da risultati sperimentali nulli”, ha detto Profumo, che è anche vicedirettore per la teoria presso il Santa Cruz Institute for Particle Physics.
Si potrebbe dire che Profumo ha scritto il libro sulla ricerca per comprendere la natura della materia oscura.
Il suo libro di testo del 2017 “An Introduction to Particle Dark Matter” presenta le lezioni che ha personalmente appreso e utilizzato nel suo lavoro di ricerca dalle tecniche all’avanguardia che gli scienziati hanno sviluppato nel corso degli anni per costruire e testare modelli di particelle per la materia oscura.
Il libro descrive il “paradigma della materia oscura” come “uno degli sviluppi chiave all’interfaccia tra cosmologia e fisica delle particelle elementari” ed è destinato a chiunque sia interessato alla natura microscopica della materia oscura così come si manifesta negli esperimenti di fisica delle particelle, nelle osservazioni cosmologiche e nei fenomeni astrofisici ad alta energia.
I ricercatori hanno svolto un ruolo chiave nella cosmologia per decenni, contribuendo allo sviluppo del modello standard Lambda-Cold Dark Matter, ancora il più adatto a tutti i dati cosmologici, e allo studio teorico e osservativo di come si forma la struttura nell’universo.
Inoltre, l’UC Santa Cruz ha a lungo sostenuto una stretta interazione tra teoria e osservazione, con punti di forza nella fisica delle particelle, nell’astrofisica e nella cosmologia dell’universo primordiale.
Profumo ha detto che queste recenti pubblicazioni continuano in quella tradizione, esplorando idee che collegano le questioni più profonde della fisica delle particelle con il comportamento su larga scala del cosmo.
“E lo fanno in un modo che rimane radicato nella fisica conosciuta, sia che si tratti della teoria quantistica dei campi nello spazio-tempo curvo, sia delle proprietà ben studiate delle teorie di gauge SU(N), estendendole a nuove frontiere”, ha detto.
Immagine: Stefano Profumo
