Che cos’è la materia oscura? Spunta una nuova ipotesi

cos'è la materia oscura

Che cos’è la materia oscura? E di cosa è fatta? Invisibile, impalpabile e sfuggente, questa sostanza, che secondo le teorie fisiche potrebbe costituire la gran parte (più dell’80%) della composizione dell’Universo, è oggi ancora un mistero. Nonostante la sua abbondanza, infatti, non si sa da cosa sia composta. Gli scienziati ipotizzano che sia costituita da ipotetiche particelle dal comportamento e dalle proprietà insolite. Ma oggi due fisici teorici dell’Università della California a Davis avanzano una nuova proposta. I ricercatori hanno individuato un nuovo potenziale metodo per cercare di conoscere meglio la materia oscura. I risultati, che sono pubblicati in preprint su arXiv, sono stati presentati alla 22a conferenza internazionale Planck 2019.

Dalle Wimp al fotone oscuro

Per molto tempo gli scienziati hanno ritenuto che la materia oscura sia composta da particelle per ora mai osservate, dette Wimp (Weakly Interacting Massive Particle, particelle massive debolmente interagenti). Queste particelle appunto interagiscono soltanto debolmente con la materia, una delle ragioni per cui sarebbero sfuggite alle osservazioni. “Non sappiamo ancora cosa sia la materia oscura”, ha detto John Terning, docente di fisica alla Uc Davis e coautore sulla carta. “Il candidato principale per molto tempo è stato il Wimp, ma sembra che sia quasi del tutto escluso”.

Ora i fisici sono a caccia di nuovi modelli. Un’ipotesi recente riguarda la presenza di una quinta forza, in aggiunta alle quattro forze fondamentali (elettromagnetica, debole, forte e gravitazionale), che descrivono l’intero universo secondo la fisica. A questa forza sarebbe associata una particella, il fotone oscuro, che a differenza del fotone classico avrebbe una piccola massa. E che insieme alla quinta forza potrebbe aiutare a spiegare di cosa è fatta la materia oscura. La presenza di questa particella è già indagata dall’esperimento PADME ai Laboratori Nazionali di Frascati, che farà collidere positroni accelerati contro un bersaglio fisso cercando tracce del fotone oscuro.

Un nuovo modello, cos’è la materia oscura

Oggi i due autori, John Terning e Christopher Verhaaren, aggiungono un nuovo possibile tassello: un monopolo magnetico oscuro che interagisce col fotone oscuro. Nel mondo macroscopico, i magneti hanno sempre due poli (nord e sud) e il monopolo magnetico, pur esistendo in teoria (nella meccanica quantistica), non è mai stato osservato.

Secondo i due fisici questo monopolo oscuro potrebbe interagire con i fotoni e gli elettroni oscuri nello stesso modo in cui un monopolo normale interagisce, sempre in teoria, con fotoni e elettroni. La nuova interazione – aggiungono gli autori – potrebbe essere importante per rivelare le particelle oscure, alla base della materia oscura. Secondo i fisici la presenza di questo monopolo magnetico potrebbe essere utile per riuscire a identificare la presenza di particelle oscure.

I monopoli oscuri per trovare la materia oscura

In passato, il premio Nobel per la Fisica Paul Dirac si interessò ai monopoli magnetici e nel 1931 provò che la loro esistenza potrebbe essere legata a particolari fenomeni quantistici, legati alla quantizzazione della carica elettrica. In particolare, gli autori hanno studiato, con complessi calcoli teorici, l’effetto Aharonov-Bohm. Si tratta di un fenomeno di meccanica quantistica in cui un elettrone è influenzato da un campo elettromagnetico anche se non passa attraverso il campo (in una regione, dunque in cui il campo è nullo).

Studiando questa influenza sulle particelle cariche (gli elettroni) gli scienziati della UC Davis spiegano che si potrebbe rilevare la presenza del campo elettromagnetico e dunque anche del monopolo magnetico oscuro. Provando la presenza di questi fenomeni si potrebbe riuscire a comprendere meglio che cos’è la materia oscura e come si comporta. “Questo è un nuovo tipo di materia oscura”, sottolinea Terning, (differente dal precedente modello basato sulle Wimp) e l’autore rimarca che nello studio viene dettagliato un nuovo complesso metodo per cercarla.

Le difficoltà pratiche

Tuttavia le criticità non mancano: gli effetti quantistici da osservare sono davvero minimi, tanto che sono ancora più difficili da rilevare rispetto alle onde gravitazionali. Ma la speranza è l’ultima a morire. Terning, infatti, fa notare che quando è stato proposto per la prima volta l’esperimento dell’osservatorio statunitense Ligo le tecnologie per scovare le onde gravitazionali ancora non esistevano e sono state costruite nel tempo. E allo stesso modo potrebbe accadere anche per la materia oscura.

Riferimenti: arXiv

5 Commenti

  1. A causa della materia oscura l’universo si sta espandendo. Se la materia oscura ha una forza di gravità negativa che si oppone alla forza di gravità .Sotto certe distanze prevale la forza di gravità (dimensioni galassie) mentre oltre certi valori ha il soppravento la forza negativa. Per questo le galassie si allontanano e l’universo si espande. Può essere?
    Alberti

    • Mi sembra di capire che l’espansione dell’universo è dovuta a energia oscura, che è diversa dalla materia oscura. Queste due entità hanno effetti completamente opposti: la materia oscura tiene insieme l’universo, mentre l’energia oscura lo dilata.

  2. La materia visibile genera la forza di gravità mentre, secondo me,la materia oscura genera a sua volta un tipo di gravità negativa che può essere l’energia oscura.
    Alberti

  3. Se applichiamo questo “algoritmo” ad ogni processo del sistema universo sembra girare bene… lampi gamma, buchi neri supermassivi, accelerazione espansione universo, percentuale di materia ed energia oscura, nascita e morte, ecc. ecc, senza scomodare universi paralleli o teoria più o meno fantasiose che hanno sempre delle criticità, io ancora in questa non ne ho trovate :

    E’ un dato oggettivo che della materia oscura noi possiamo “vedere” soltanto gli effetti della sua gravità.
    La ricerca di questo tipo di materia sta impegnando gli astrofisici di tutto il mondo con vari esperimenti come quelli che stanno avvenendo o sono in procinto di partire sotto il Gran Sasso.
    Sono certo che l’ approccio sia sbagliato. Partiamo dall’ inizio nel senso più letterale del termine:

    Postulato: gravità e massa non sono indissolubilmente legate, la prima può esistere anche da sola, è la materia oscura (che non chiameremo più così), è costituita da unità elementari prive di massa, che chiameremo unità gravitazionali.
    Ciò posto, proviamo ad immaginare che subito dopo l’istante iniziale I0 vi siano solo energia ed unità gravitazionali, che come mostra la mappa della radiazione cosmica di fondo, erano distribuite in maniera casuale e disomogenea, in una condizione di massima entropia; che a determinate condizioni di densità, pressione e temperatura si combinano dando origine alla materia(quark o i loro costituenti).
    Considerata questa teoria valida, la struttura dell’ Universo può essere spiegata in maniera molto semplice ed elegante:
    Infatti, dove le condizioni di cui sopra non si sono verificate e vi era un’eccessiva densità di unità gravitazionali rispetto all’ energia, si sono generati buchi neri super massicci( i nuclei attorno ai quali si sono generate le prime galassie), nelle zone a bassa densità tali unità non si sono combinate dando luogo alla materia, ma sono andate a costituire quella ragnatela che viene definita oggi erroneamente materia oscura.

    Il processo inverso è sotto i nostri occhi da almeno mezzo secolo, avviene nei buchi neri, l’ orizzonte degli eventi altro non è che il limite dove la materia può esistere, la materia viene scomposta in unità gravitazionali ed energia che viene irradiata nello spazio.
    Anche le onde gravitazionali generate dalla fusione di due pulsar, scompongono la materia in energia e unità gravitazionali la cui enorme quantità è in grado di perturbare (rendendola rilevabile agli strumenti che abbiamo in nostro possesso oggi), il tessuto spazio temporale che si “regge” su quella ragnatela costituita dalle unità gravitazionali. In misura minore ciò accade ogni qual volta la materia si scompone.
    Ne consegue che considerando un qualunque istante temporale x e la quantità di materia totale M, abbiamo che Mtx è sempre minore di Mtx+1, cioè la quantità di materia diminuisce mentre l’ energia e le unità gravitazionali aumentano. L’ energia è quello che chiamiamo energia oscura ed è la responsabile dell’espansione accelerata dell’ Universo.
    Trattando l’ Universo come un sistema chiuso, l’ energia oscura è un ‘energia diffusa (Ed), che ha perso il suo stato iniziale di densità.
    Al termine del processo avremmo Massa Zero, Energia ed Unità gravitazionali pari a quelle iniziali, in un sistema che grazie alle proprietà intrinseche della gravità non può restare in equilibrio e ripete ciclicamente il processo iniziale secondo le stesse leggi fisiche.
    (Ciò è in linea anche con la radiazione di Hawking, infatti mentre i buchi neri di piccole dimensioni evaporano con una velocità inversamente proporzionale alla propria massa, quelli più grandi statisticamente si nutrono delle particelle che vengono emesse da quelli più piccoli, con una dinamica che tende asintoticamente ad un solo e grande buco nero, composto solo da unità gravitazionali, la fase iniziale.)

    Fabio Balzerano

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