7. Come si studia la materia oscura (I parte)

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Credit: Chandra X ray

Un primo metodo allo studio della è quello di cercare negli acceleratori le tracce
dell’esistenza di nuove particelle non barioniche che abbiano le proprietà giuste. Questo è ciò che avviene, ad esempio, nel caso degli esperimenti dedicati alla supersimmetria.

Un secondo metodo è la rivelazione diretta. Detto in maniera più semplice, si tratta di costruire grossi rivelatori e di aspettare che una particella di materia oscura interagisca con essi. La Terra, infatti, viene continuamente attraversata da un flusso di particelle di materia oscura, una sorta di “vento” di particelle, modulato dal moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole: giusto per dare un ordine di grandezza, un foglio di carta è attraversato ogni secondo da 50 milioni di particelle di materia oscura, le quali passano indisturbate sia il foglio che la persona che lo tiene in mano e, con molta probabilità, attraverso l’intero pianeta, senza interagire con la materia. Da qui l’enorme difficoltà nel progettare rivelatori che rivelino le particelle di materia oscura per via diretta. Generalmente si costruiscono i rivelatori in zone protette da “contaminazioni” come quelle dovute ai raggi cosmici, solitamente in siti sotterranei, come cave o gallerie, separati dalla superficie da centinaia o migliaia di metri di roccia. Li si porta quindi a temperature bassissime e si studiano i segnali emessi ogni qualvolta qualcosa interagisce con essi. Il più delle volte si tratta di neuroni prodotti da radioattività naturale, e già questa misura ci permette di capire che la frequenza delle interazioni tra materia oscura e materia ordinaria è molto bassa. Esistono tuttavia esperimenti che sembrano aver scoperto qualcosa, i cui risultati hanno alimentato polemiche che durano da anni. Proprio un esperimento italiano, chiamato DAMA, predisposto nei laboratori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) sotto il Gran Sasso, ha rivelato certi segnali che sembrerebbero caratterizzati da una variazione con periodicità annuale: e’ proprio ciò che ci si aspetta di trovare a causa del moto orbitale della Terra, che si sviluppa all’interno di un “vento” di particelle di materia oscura. La frequenza delle interazioni rimanda però a particelle con proprietà (come la propensione a interagire) diverse da quelle comunemente ipotizzate. Fin qui niente di grave. Il problema serio è che gli esperimenti avviati dopo DAMA non ne hanno confermato i risultati: pur avendo raggiunto sensibilità anche più elevate, non hanno trovato tracce di materia oscura. Gli esperimenti in corso dovrebbero nel prossimo futuro chiarire la situazione e confermare, o definitivamente escludere, i risultati di DAMA.

Un terzo metodo è quello della rivelazione indiretta delle particelle di materia oscura che sono spesso genericamente indicate con l’acronimo WIMP (Weakly Interacting Massive Particles, ovvero ”particelle massive che interagiscono debolmente”): più precisamente, si cercano i prodotti della loro annichilazione. Laddove la densità di WIMP è piuttosto elevata, le particelle possono interagire tra loro annichilendosi e producendo nuove particelle, che sono dette secondarie. Queste possono essere fotoni, neutrini, coppie di elettroni e positroni, quark e cosi via. E’ possibile calcolare con precisione il tasso di annichilazione delle particelle, nonché il tipo di particelle secondarie prodotte. Una volta scelto un particolare candidato WIMP, la radiazione di annichilazione dipende essenzialmente dalla sola densità delle particelle di partenza. Bisogna dunque trovare regioni dell’Universo che contengano alta densità di materia oscura e che siano abbastanza vicine da produrre flussi abbondanti di particelle secondari.

Continua…

Grazie Flavio. Sabrina

Informazioni su Sabrina Masiero

Ricercatore Astronomo (Tecnologo III livello) presso INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo-Gal Hassin, Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche di Isnello, Palermo. In precedenza: Borsista presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie.
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7 risposte a 7. Come si studia la materia oscura (I parte)

  1. Luca dice:

    Help: la materia oscura è costituita solo da un mare di particelle, come mi sembra di evincere dal post, o può anche essere un insieme di stelle spente e altro "materiale" oscuro? O un mix di entrambe le cose?

  2. Sabrina dice:

    Da quanto ricordo dalle lezioni del Prof. Secco la materia oscura è costituita, molto probabilmente, da stelle ormai spente, che hanno esaurito tutto il loro combustile nucleare, oltre che da particelle esotiche, di natura ancora non del tutto chiara.
    In questo articolo tratto da Le Stelle ho osservato anch'io questa "dimenticanza"…

  3. Giovanni dice:

    In mancanza di certezze non è possibile escludere alcuna ipotesi che ci aiuti a risolvere il problema della massa invisibile, ma quando si parla di materia oscura, più che a qualcosa di buio, dobbiamo pensare a qualcosa che non interagisce con la luce, se non attraverso la gravità generata. Stelle spente, pianeti o ammassi di polvere non sono quasi mai totalmente oscuri, perché assorbono, riflettono o emettono qualche forma di luce. Sebbene è evidente che non possiamo certo pretendere di vedere ogni singolo granello di polvere che sfavilli in un angolo dell'Universo, sappiamo che la quantità di materia oscura che occorre a spiegare la gravità misurata è tale che, se essa fosse principalmente costituita da corpi massicci, avremmo dovuto già rendercene conto. Infatti, le maggiori concentrazioni di materia oscura, solitamente rilevate negli ammassi di galassie, ci appaiono completamente trasparenti, cosa che non accadrebbe se questa materia fosse in grado di assorbire la luce. Proprio per questa ragione si ritiene più probabile che la maggior parte della materia oscura sia fatta di "strane" particelle invisibili per natura, in quanto incapaci di produrre o fermare fotoni, a meno di non "sbattere" l'una contro l'altra in modo tanto violento da trasformarsi in qualcosa che possa rendersi visibile.

    • Sabrina dice:

      Grazie Giovanni! Questa è un'informazione utilissima. Confesso la mia ignoranza, come avrai intuito dal post precedente. Grazie davvero.

      • Giovanni dice:

        Dai, non si tratta di ignoranza! Direi che è più che leggittimo, quando si parla della massa gravitazionale "non visibile", chiedersi se vi è anche della materia ordinaria ed in quale parte.

  4. Luca dice:

    Grazie. Un buon update sulla materia oscura ci voleva.

  5. Monica dice:

    A me fa impressione pensare che l'Universo sia ancora tutto da scoprire. Chissà che i futuri strumenti non permettano di rilevare alcuni dettagli che al momento sfuggono alla nostra osservazione. Il compito degli astronomi e dei fisici, nonchè degli ingegneri, è davvero complesso, non solo nello studiare in dettaglio i risultati, ma anche nella realizzazione tecnica degli strumenti per la comprensione del nostro universo.