La settimana scorsa tutta la comunità scientifica ha passato momenti di grande suspance ed eccitazione, nell’attesa che venissero rilasciati i risultati ufficiali della collaborazione CDMS (Cryogenic Dark Matter Search).
Nel profondo di Soudan, una vecchia miniera abbandonata nel nord del Minnesota alcuni scienziati che lavorano su questo esperimento, per primi hanno dichiarato pubblicamente di aver visto l’invisibile, ovvero di aver rivelato, per la prima volta in maniera diretta, particelle di Materia Oscura.
Giovedì 17 io, come molti altri fisici di tutto il mondo, ho passato parte della serata ascoltando in streaming la dichiarazione, trasmessa in diretta mondiale, in cui la rappresentante di CDMS Jodi Cooley ha ilustrato come siano riusciti a distinguere 2 eventi, nel corso di un anno di presa dati, sul mezzo evento che si aspettano a causa del rumore di fondo.
Ma facciamo un po’ marcia indietro, plachiamo l’emozione, e cerchiamo di capire il valore di questa scoperta.
In passato ho già avuto occasione di parlare di Materia Oscura, in particolare lo scorso Aprile, quando il satellite Pamela, per la maggior parte italiano, ha osservato un’eccesso di positroni. Questi positroni in eccesso potrebbero essere prodotti dalla Materia Oscura presente nella nostra Galassia.
Ma che cos’è la Materia Oscura e perché crediamo che esista?
La storia della fisica ci insegna che spesso si deve intuire l’esistenza di una nuova legge fisica o di un nuovo fenomeno attraverso i suoi effetti su un altro fenomeno. Per esempio nella prima metà dell’Ottocento, gli astronomi osservarono uno strano comportamento nell’orbita di Urano e supposero che questo comportamento anomalo fosse dovuto all’esistenza di un altro pianeta. Infatti, qualche anno dopo, nel 1846, venne scoperto Nettuno.
Non sempre la soluzione è dietro l’angolo, però, infatti le anomalie nell’orbita di Mercurio non potevano venir spiegate con un altro pianeta (che aveva già un nome: Vulcano), e si è dovuto far ricorso alla Relatività Generale di Einstein per poterle comprendere.
Simili osservazioni sono alla base delle prime ipotesi di esistenza della Materia Oscura. Infatti l’osservazione delle galassie a spirale (quelle come la nostra, per intenderci) ha fatto notare agli astrofisici che la loro velocità di rotazione è molto maggiore di quella che ci si dovrebbe aspettare stando alle leggi Newtoniane dei corpi celesti, come si può vedere nella figura sottostante.
In particolare quest’osservazione suggerisce che nelle galassie vi è molta più materia di quella che possiamo misurare osservandola direttamente nella banda ottica.
Certo, questo non vuol dire che questa materia extra sia tanto speciale, potrebbe essere anche solo buia, come per esempio sono i pianeti o delle stelle spente chiamate nane brune.
La nostra conoscenza dell’Universo ci fa sospettare che tali elementi non siano di gran lunga sufficienti per giustificare una tale differenza di massa, poiché dal grafico che vedete si capisce che la massa “buia” è diverse volte superiore alla massa luminosa.
Questo inidizio non è stato l’unico che l’Universo ci ha fornito per sospettare l’esistenza della materia oscura. Un altro, e molto spettacolare indizio è il fenomeno della “lente gravitazionale”. La Relatività Generale di Einstein ci dice come lo spazio si curvi attorno ad una massa molto abbondante. Come se appoggiassimo un masso pesante su un lenzuolo teso, così un ammasso di stelle “affonda” nello spazio piegandolo sotto di se.
L’effetto può essere osservato dalla Terra notando come certe galassie lontane appaiano distorte se tra noi e loro c’è una quantità notevole di materia. Possiamo vedere l’effetto nell’immagine che ho inserito qui sotto. In questa figura si vede in blu la distribuzione di Materia Oscura intuita a partire dalla distorsione delle galassie che si vedono nello sfondo.
Anche in questo caso, però, non abbiamo prove che questa materia sia speciale, sappiamo solo che c’è e che è invisibile tramite osservazioni nella banda elettromagnetiche.
Ma la ricerca non si è fermata qui!
Satelliti che misurano il fondo cosmico a microonde dell’Universo sono in grado di spiegare in grande dettaglio la composizione e lo sviluppo dell’Universo a partire da 300mila anni dopo il Big Bang. Le migliori osservazioni fatte finora sono quelle del satellite WMAP, ma ormai stiamo già ottenendo informazioni molto più precise dal satellite europeo Planck, come ho già spiegato in un post di qualche mese fa.
In particolare, la comprensione del fondo cosmico a microonde e le sue oscillazioni in fase di formazione, ci possono dare informazioni interessantissime sulla composizione dell’Universo. Sono stati quindi posti dei limiti sulla quantità di barioni presenti nell’Universo. I barioni solo le particelle di materia che noi conosciamo, ovvero quelle che hanno interazione elettromagnetica. I protoni, neutroni, elettroni e così via.
Tutto quello che ci circonda e che vediamo coi nostri occhi e con i nostri strumenti. Ebbene, tutto questo non è che il 4% del totale dell’Universo! Sappiamo inoltre che solo il 23% del resto è materia, ovvero è composto di particelle massive, mentre la maggior parte dell’Universo è composto di energia, chiamata Energia Oscura poiché non siamo in grado di vederla e, al momento, ci è molto difficile anche solo comprenderla.
Abbiamo già le nostre difficoltà a capire e osservare la materia visibile. Quello che sappiamo della Materia Oscura è che è non barionica e non ha interazione elettromagnetica con la materia ordinaria. Sappiamo anche che deve essere stabile, cioè non deve decadere velocemente, poiché ne vediamo la presenza ancora oggi a partire dalla formazione dell’Universo stesso.
Inoltre considerazioni cosmologiche ci suggeriscono che la maggior parte di essa sia “fredda”, ovvero avesse velocità non relativistiche durante la formazione delle macro strutture dell’Universo. Quest’ultimo punto è molto importante, perché esclude la possibilità che la Materia Oscura sia composta di neutrini, come si è proposto per un certo periodo.
Ma allora, di che cosa è fatta questa Materia Oscura? Beh, ci sono molte teorie, alcune molto astruse, altre più comprensibili. Una delle più accreditate va a pescare i candidati di Materia Oscura nel modello Supersimmetrico dell’estensione del Modello Standard (Minimal Supersymmetric Standard Model). In questo caso vengono considerate delle particelle chiamate Neutralini, che sono le particelle più leggere predette da questo modello. Esse vengono anche chiamate WIMPs (Weakly Interactive Massive Particles) a causa della loro caratteristica di possedere una massa ma di interagire pochissimo.
Un po’ però interagiscono, ed è proprio sfruttando questo che vorremmo osservarle. È difficile però, perché non interagiscono con la materia ordinaria tramite le forze fondamentali, per cui dobbiamo inventarci un altro sistema per vederle. Un modo è osservarle in maniera indiretta. Per esempio è quello che ha cercato di fare il satellite Pamela. Infatti queste particelle vengono accumulate nel centro di oggetti massivi, come il Sole o il Centro della Galassia.
A lungo andare raggiungono una densità elevata, tanto da scontrarsi tra di loro. Quando questo accade vi è una bassissima ma non nulla probabilità che annichiliscano ed emettano particelle “standard” che possono essere rivelate dai nostri strumenti.
Un altro metodo invece è l’osservazione diretta. In questo caso si costruisono volumi di gas nobili, come l’Argon o lo Xenon, e si schermano da qualsiasi altra sorgente.
Si aspetta che un neutralino passi per il detector e che si “scontri” con un nucleo del gas. In questo caso sarà possibile osservare il rinculo del nucleo in questione e capire quindi che ha subito una collisione con una particella di Materia Oscura. L’esperimento CDMS ha un approccio leggermente diverso, poiché invece di utilizzare gas nobili usa un rivelatore fatto di cristalli di germanio e silicio criogenizzati.
Anche in questo casi il rivelatore è messo al riparo da sorgenti di rumore, essendo sotto un profondo strato di roccia equivalente a diverse migliaia di metri di acqua. In questo modo i raggi cosmici, ovvero le particelle cariche provenienti dallo spazio sulla Terra, hanno una probabilità estremamente bassa di raggiungere il rivelatore.
La criogenizzazione assicura un bassissimo livello di rumore elettronico, tanto che in totale il rumore è stimato ad un evento misurato ogni due anni di osservazioni. La conferenza stampa dell’altra sera ha confermato che sono stati osservati due eventi iin un anno. In realtà, la probabilità di vedere due eventi in un anno a causa del rumore e del background rimane del 23%, per cui circa un quarto.
In fisica, purtroppo il 77% di sicurezza non e sufficiente per poter dichiarare una scoperta, ma rimane di sicuro un’osservazione di estremo interesse (soprattutto per chi fa richiesta di fondi per questo tipo di esperimenti…). Possiamo dire che, anche se non con assoluta certezza, i primi eventi di osservazione della materia oscura sono sempre più a portata di mano, quindi il titolo del post è quanto mai vero: la Materia Oscura comincia a non essere più tanto oscura…
