Nel lontano 2009 scrissi un post riguardo un interessante ma controverso risultato del satellite Pamela. Pamela è un satellite il cui scopo principale è di misurare particelle di antimateria, ma così facendo può insegnarci molto su quello che accade nella nostra Galassia. In particolare è in grado di misurare con molta precisione lo spettro di positroni nella Galassia (i positioni sono gli anti-elettroni), esattamente come il rivelatore AMS-02.
La misura di positroni è interessante anche perché può rappresentare un possibile canale per misurare la materia oscura. Come ho già detto in passato, infatti, noi conosciamo solo la natura di circa il 4% dell’intero Universo, una frazione piccolissima! Il rimanente 96% ci è completamente sconosciuto, o quasi. Sappiamo in realtà che il 22% è composto di materia, anche se è una materia diversa da quella che siamo abituati a misurare e con cui interagiamo. Viene chiamata Materia Oscura, proprio per sottolineare quanto poco la conosciamo.
Certo, nel corso degli ultimi anni abbiamo avuto modo di appurarne l’esistenza in diversi modi. Ultimamente ne ho parlato in questo post. Fondamentalmente l’interazione gravitazionale tra galassie lascia pochi dubbi sulla presenza di una quantità di materia che interagisce gravitazionalmente con tutto il resto, ma che non si fa vedere in altri modi. Niente interazione elettromagnetica, per esempio. Niente decadimenti radioattivi, niente di niente. Insomma, è veramente difficile capire di che cosa questa materia sia fatta se interagisce solo gravitazionalmente.
Per fortuna i fisici sono pieni di risorse (e molta fantasia :-) ) e hanno sviluppato diverse teorie per spiegare la natura della materia oscura. Innanzi tutto si suppone che possa avere una debolissima interazione con la materia. Non abbastanza per essere misurata, ma pur sempre, maggiore di zero. Questa è solo un’ipotesi, ovviamente, però risulta che nel caso esistesse una particella in grado di interagire debolmente, la sua quantità relativa nell’Universo coinciderebbe proprio con il 22% di materia oscura che ci aspettiamo. Questa coincidenza viene chiamata “Wimp miracle”, il miracolo delle wimp (Weakly Interactive Massive Particle – particella massiva debolmente interagente). Inoltre si suppone che le particelle della materia oscura coincidano con le proprie antiparticelle. Particella e antiparticella sono uguali, e quindi se si trovano due particelle vicine, annichiliscono una con l’altra. Particelle con questa particolare caratteristica si chiamano particelle di Majorana, poiché Ettore Majorana è stato il primo a immaginarne l’esistenza.
Questa caratteristica è decisamente utile per osservare la materia oscura. Infatti si può immaginare che al centro di grandi masse, come al centro del Sole o addirittura al centro della Galassia, si concentrino grandi quantità di materia oscura. A quel punto diventa più probabile che due particelle di materia oscura si trovino vicine, e quindi annichiliscano. Quando ciò avviene c’è tutta una serie di prodotti secondari generati da questa annichilazione, prodotti che finalmente possiamo misurare. Nel caso di Pamela si è voluto misurare positroni, un possibile prodotto dell’annichilazione di materia oscura. Effettivamente Pamela ha osservato un’eccesso di positroni dal centro della Galassia, ma sarà veramente materia oscura? Non si può sapere con certezza, perché ci sono molte altre sorgenti di positroni nella zona del centro della Galassia. Per fortuna si possono osservare anche altri canali. Un esempio è la radiazione gamma, ovvero fotoni ad altissima energia.
Le particelle di materia oscura si muovono nei dintorni della nostra Galassia a velocità bassissima, poiché sono state rallentate durante l’espansione dell’Universo. Quando si incontrano, quindi, queste particelle sono quasi ferme e, annichilendo emettono un’energia pari al doppio della massa di ciascuna particella. Per le leggi della conservazione del momento, si può calcolare che quest’energia si manifesta sotto forma di due fotoni, ciascuno con la stessa energia della massa della particella di materia oscura. Quindi dovremmo vedere un picco, molto stretto, praticamente una linea, a un’energia molto precisa. Questa particolare caratteristica rende molto più difficile confondere un segnale così con un segnale astrofisico, che di solito si manifesta come degli spettri molto larghi.
Il satellite Fermi, di cui ho avuto modo di parlare diverso tempo fa, è proprio un rivelatore di radiazione gamma. Come spesso accade per i dati astrofisici, i dati di Fermi sono pubblici e possono essere usati da tutti per sviluppare le proprie analisi. Il giovanissimo ricercatore Christoph Weniger, del Max Planck Institute di Monaco, ha sviluppato un’interessantissima analisi su un set di dati equivalenti a 3 anni e mezzo di osservazione, e ha trovato una caratteristica veramente incredibile. Dopo un’accurata selezione dei dati gli sono rimasti 50 fotoni di numero, e ha osservato che si allineano a una specifica energia, 130 GeV. L’analisi di Weniger, che può essere letta su ArXiv (ed è stata pubblicata su JHEP), potrebbe farci pensare che la materia oscura sia veramente, dopo tutto, una particella con massa equivalente a 130 GeV.
Certo, lo stesso autore sottolinea come la statistica non sia sufficiente per trarre conclusioni definitive. Inoltre diversi membri della collaborazione di Fermi sono molto dubbiosi. Ritengono infatti che Weniger abbia trascurato alcune caratteristiche tecniche importanti dello strumento, che possono aver distorto il risultato. Insomma, c’è ancora molto da studiare, e in queste ultime settimane c’è una pioggia di articoli di diversi ricercatori che vogliono dire la loro su questa possibile scoperta. Altri strumenti più adatti di Fermi, inoltre, verranno lanciati nei prossimi anni per effettuare questa misura con maggiore precisione.
Però, c’è un’altra cosa che stuzzica la mente di molti fisici… una particella di materia oscura a 130 GeV? È un valore pericolosamente vicino alla massa del nuovo arrivato sulla tavola delle particelle elementari: il bosone di Higgs! Il fisico John Wefel, per esempio, si domanda – più vicino allo scherzo che alla scienza – se magari la nostra Galassia è circontata da un alone di bosoni di Higgs, o magari, sono quelli dell’LHC che hanno visto materia oscura, e l’hanno scambiata per l’Higgs. Devo dire che quest’ultima ipotesi sarebbe veramente interessante… !!
