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Il 2017 potrebbe essere l'anno definitivo per i cacciatori di materia oscura

Nel grande quadro delle cose, non è la materia oscura ad essere esotica e strana—​siamo noi.

di Kate Lunau
04 gennaio 2017, 2:48pm

GIF: Ben Ruby

Potrebbe essere sconvolgente pensare che soltanto il cinque percento dell'universo è fatto di un tipo di materia che conosciamo e capiamo—tutto, dai pianeti alle stelle, passando per gli alberi, gli animali e il tavolo della cucina.

Circa un quarto è materia oscura, che si pensa tenga insieme le galassie. È stata soprannominata l'"impalcatura" dell'universo, ma non l'abbiamo mai davvero scovata. Gli scienziati credono di poterne trovare traccia nel modo in cui le galassie si muovono, ma non hanno ancora idea di cosa sia. (Gran parte dell'universo, il 70 percento circa, è energia oscura, una forza misteriosa che permea lo spazio e il tempo, ancora più misteriosa della materia oscura.)

Confermare l'esistenza della materia oscura potrebbe cambiare la prospettiva umana sull'universo. Il 2016 è stato un anno di dispiaceri relativi a questo argomento, perché molte ricerche importanti si sono dimostrate un buco nell'acqua. Sono per lo più alla ricerca di WIMPs—weakly interacting massive particles, le più quotate per essere particelle di materia oscura.

Immagine: Ben Ruby

Il 2017 potrebbe essere l'anno in cui finalmente tiriamo fuori qualcosa. E se così non fosse, be', potrebbe essere che le nostre migliori teorie in proposito siano sbagliate—forse stiamo guardando nel posto sbagliato con gli strumenti sbagliati. Forse la materia oscura, qualsiasi cosa sia, si dimostrerà ancora più strana e sorprendente di quanto pensiamo.Forse non ci sono i WIMP, ma un altro strano tipo di particella.

Poi c'è la remota possibilità che la materia oscura non esista, che sia un'illusione. Se questo è il caso, dobbiamo capire se abbiamo interpretato male i segnali dell'universo.

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Sotto una miniera vicino Sudbury, nel nord dell'Ontario, si trova SNOLAB, un vasto laboratorio sotterraneo dove gli scienziati stanno tenendo una serie di esperimenti, inclusa la ricerca della materia oscura. Spesso paragonata a un covo alla James Bond, è una struttura molto pulita e altamente tecnologica. Due chilometri di roccia solida proteggono i suoi detector dalle radiazioni cosmiche, permettendogli di setacciare frammenti di materia dalle stelle morenti e dal sole: cosa che è valso il Nobel per la fisica nel 2015.

Uno scienziato al lavoro su DEAP-3600, un rilevatore di materia oscura di SNOLAB. Immagine: SNOLAB

Recentemente sono andato in visita a SNOLAB. Per arrivarci, ho dovuto indossare una divisa da minatore (inclusi la lampada e il caschetto), discendere sotto terra in una gabbia buia e arrampicarmi per un chilometro circa per raggiungere la struttura bianca luccicante, che dentro è pulita quasi quanto una sala operatoria—in forte contrasto con la miniera di nichel che la circonda.

Dopo la lunga scarpinata attraverso la miniera, chiunque voglia entrare dentro SNOLAB deve svestirsi, farsi una doccia (con sapone e shampoo), e indossare dei vestiti particolari e una cuffia per i capelli. Ogni granello di polvere della miniera, che è naturalmente radioattiva, può far fallire tutti gli esperimenti.

Lì, ho incontrato lo scienziato Ken Clark, un fisico con una barba rossiccia. Come me, indossava una divisa e una cuffia in testa. Clark ha lavorato su una serie di ricerche di alto profilo a proposito della materia oscura come CDMS e LUX, e ha collaborato all'IceCube detector in Antartide. Adesso lavora con PICO, una ricerca sulle particelle WIMP lanciato nel 2013, quando sono nate altre due collaborazioni, PICASSO e COUPP.

L'immagine di un nutrone sparso nel detector PICO. Immagine: PICO Collaboration

Pico è un rilevatore di bolle: una cisterna di fluidi surriscaldati tenuti a una temperatura superiore rispetto al loro punto di ebollizione. Se la materia oscura sbatte contro il nucleo di un'altra particella nel rilevatore, dovrebbe formare una piccola bolla. La materia oscura attraversa tutta la terra e il nostro stesso corpo, pertanto può raggiungere il detector anche sottoterra, nonostante gli strati di roccia. Ma anche questo fa parte della sfida—la materia oscura interagisce solo raramente con la materia normale, ed è per questo che è così difficile da individuare.

Clark crede che riusciremo a trovarla nel giro di uno o due anni. "Siamo in un periodo esaltante," ha detto.

Le altre ricerche dovrebbero iniziare presto, ha spiegato, e quelle che sono già attive stanno diventando ogni giorno più delicate. Nel 2017, secondo Clark, otterremo dei nuovi risultati da PICO, DEAP (un altro detector, sempre a SNOLAB), così come l'ambizioso progetto cinese PandaX e quello italiano XENON1T. Nel 2018 verranno effettuate ancora altre ricerche.

"Se i modelli sono corretti, dovremmo capirlo presto," mi ha detto.

Uno scienziato lavora sul contenitore d'acciaio di DEAP-3600. Immagine: DEAP Collaboration

Comunque, non ci sono garanzie, e i ricercatori di WIMP continuano a non avere niente in mano. Per esempio, in estate, il rilevatore ad alta sensibilità LUX—che usa xeno liquido in una miniera del South Dakota—ha annunciato di non aver visto nessun WIMP dopo aver cercato per più di un anno.

Ho chiamato Lisa Randall, un'importante fisica teorica e professoressa alla Harvard University per chiederle cosa ne pensasse della possibilità di individuare la materia oscura nel giro di un paio di anni.

"Direi il contrario," ha risposto l'autrice di Dark Matter and the Dinosaurs. Tuttavia, è d'accordo con il fatto che se davvero la materia oscura è un WIMP, queste ricerche potrebbero trovarla presto "ma è giusto una possibilità" ha precisato.

Il WIMP è il "frutto più facile da cogliere," ha continuato Randall: questa particella teorica è compatibile con il Modello Standard, che spiega l'interazione dei mattoncini che compongono l'universo.

GIF: Ben Ruby

"E che cosa potrebbe essere se non un WIMP?" ha detto Randall. "Possiamo ancora capire qualcosa di cosa sia la materia oscura?"

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Altri scienziati hanno delle strategie completamente diverse per quanto riguarda la soluzione del mistero.

Leslie Rosenberg, una professoressa di fisica all'Università di Washington, è una ricercatrice dell'Axion Dark Matter Experiment, o ADMX, che sta cercando una particella teorica chiamata assione, ritenuta molto più leggera di una WIMP. Anche se la ricerca è stata portata avanti in altre parti del mondo, ADMX è "l'unico rilevatore di assioni ad alta sensibilità" ha detto.

Forse sbagliamo a pensare che la materia oscura sia qui

ADMX, che usa una cavità risonante a microondee installata dentro un grande magnete superconduttore, è frutto di una collaborazione iniziata a metà degli anni Novanta. Attiva da più di un anno, promette ulteriori miglioramenti. Rosenberg spera che ci saranno delle novità rilevanti, il prossimo aggiornamento è fissato per l'estate 2017.

"Gli assioni sono legati alla nostra galassia," ha detto Rosenberg. "Dovrebbero essercene molti, e noi dipendiamo da loro in quanto fonte del nostro segnale."

Gli assioni sono i principali candidati per la materia oscura. Le altre idee suonano strane.

"Personalmente sono interessato all'idea che la materia oscura possa non avere a che fare con il Modello Standard," mi ha detto Randall. "Una delle possibilità è che potrebbero esserci altri tipi di particelle. Forse interagisce con se stessa attraverso una luce tutta sua, un fotone oscuro."

La prima mappa della via lattea di Gaia, basata sui dati raccolti dal luglio 2014 al settembre 2015. Immagine: ESA/Gaia/DPAC

Randall crede che uno dei modi migliori di capire la materia oscura potrebbe essere studiare la struttura delle galassie, e guardare l'universo a lavoro per capire come interagisce con se stesso. La missione Gaia dell'Agenzia Spaziale Europea, che sta realizzando una mappa tridimensionale di più di mille milioni di stelle, potrebbe aiutarci, ha aggiunto Randall.

Asimina Arvanitaki, una fisica teorica al Perimeter Institute for Theoretical Physics, mi ha suggerito via Skype che la materia oscura potrebbe essere rintracciabile attraverso dei rilevatori a massa risonante, usati per cercare le onde gravitazionali. Queste increspature nello spaziotempo sono state viste per la prima volta nel 2016, centinaia di anni dopo che Albert Einstein ne aveva predetto l'esistenza.

La materia oscura potrebbe anche comportarsi come un'onda "intrappolata dalla gravità, che oscilla a una frequenza dettata dalla massa," ha detto.

"La cosa divertente è che forse si potrebbe anche riuscire a sentire la materia oscura," ha detto Arvanitak, "dipende dalla frequenza."

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Per milioni di anni, gli uomini hanno trovato modi geniali per conoscere il mondo che ci circonda, da Copernico a Keplero, passando per le migliaia di scienziati coinvolti nella ricerca del bosone di Higgs al Large Hadron Collider, e quelli che stanno cercando di capire l'infinita diversità degli esopianeti che popolano la nostra galassia.

Grazie a loro, la nostra prospettiva è cambiata. Quando guardiamo il cielo, oggi, sappiamo che quasi ogni stella che vediamo ospita almeno un pianeta. E il primo esopianeta confermato è stato annunciato circa venti anni fa.

La natura può ancora sorprenderci.

IlBullet cluster, formato dalla collisione dei cluster di due galassie, fornisce una delle prove più accreditate della materia oscura. Immagine: X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

"Forse la materia oscura non è necessariamente una particella," mi ha detto Clark. "Alcuni teorici dicono che la materia oscura non esiste, semplicemente non capiamo come agisce la gravità su larga scala," ha continuato. "Se questo è il caso, siamo stati stupidi a credere che la materia oscura fosse qui."

Clark e gli altri cacciatori continuano la loro ricerca. Se è vero, "noi non siamo fatti della stessa sostanza dell'universo," mi ha detto Rosenberg. Nel grande quadro delle cose, non è la materia oscura ad essere esotica e strana—siamo noi.

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