E se la materia oscura non esistesse? – Parte prima.

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Gran parte dei fisici non crede a questa ipotesi tanto sono presi a scoprire di cosa è fatta, convinti che prima o poi ci riusciranno.
Il motivo è molto semplice. Sono in corso esperimenti di diverso genere in ogni parte del mondo sostenuti da ingenti sovvenzionamenti.
Allora com’è la situazione?

Diciamolo subito: nessuno ha la più pallida idea di cosa sia la materia oscura e di cosa è fatta. La sua presenza “sarebbe” testimoniata dai suoi effetti sulle galassie. E’ come se qualcosa avvolgesse le galassie e con la sua azione gravitazionale modificherebbe la velocità di rotazione delle stelle che ruotano nei bracci periferici.

Scoperta della materia oscura.
Negli anni trenta l’astronomo svizzero Fritz Zwicky osservò che alcune galassie di un ammasso composto da circa 1000 galassie orbitavano a velocità sorprendentemente elevata attorno al loro comune centro di massa. Zwicky pose rimedio ai conti che non tornavano ipotizzando l’esistenza di un nuovo tipo di materia: la materia oscura. Una materia che non si vede ma che esercita una forza di attrazione tale da impedire alle stelle di andarsene per la loro strada.
Questa massa è stata chiamata materia oscura: “oscura” perché, belle ipotesi a parte, non se ne sa proprio nulla.

Le velocità delle stelle lontane dal centro di una galassia rimanevano circa uguali a quelle più vicine al centro, mentre ci si aspettava che fossero più lente, a causa della minore attrazione gravitazionale alla periferia della galassia. La massa visibile da sola non era sufficiente a spiegare le osservazioni.
Da allora si sono accumulate ulteriori prove del fatto che c’è qualcosa che ignoriamo. La sola materia ordinaria non può spiegare quello che vediamo.
La soluzione più semplice, e probabilmente quella più popolare tra i fisici, era quella nel postulare che l’alone che circonda la galassia sia popolato di particelle elementari, elettricamente neutre, stabili e massive sin qui non ancora osservate. Il fatto che tali particelle siano neutre spiega la ragione per cui risultino invisibili, non potendo emettere radiazione elettromagnetica di nessun genere. Il fatto che siano massive è necessario per spiegarne gli effetti gravitazionali.

Ipotesi sulla materia oscura.
I teorici hanno ipotizzato che nel cosmo debbano esistere particelle nascoste di qualche tipo. Particelle invisibili con una massa complessiva di gran lunga più grande rispetto a quella della materia visibile. Particelle invisibili che non interagiscono con la materia ordinaria se non solo attraverso la forza di gravità. Non assorbe nello spettro elettromagnetico. Non emette nello spettro elettromagnetico. Non riflette. Non interagisce con lo spettro elettromagnetico, che è ciò che utilizziamo per rilevare le cose. Non interagisce in alcun modo. Di sicuro è una particella – dicono i fisici teorici – ignota, invisibile, ma pur sempre una particella.

Questa convinzione trenta anni fa era giustificata. L’idea di una materia oscura fatta di particelle faceva presa perché a quell’epoca i fisici avevano altre ragioni per credere nell’esistenza di nuove particelle. Intorno agli anni cinquanta e sessanta ci si era resi conto che protoni, neutroni ed elettroni che compongono gli atomi non erano le uniche particelle esistenti.
Nei decenni successivi gli acceleratori di particelle iniziarono a produrre a tutto spiano nuove particelle, che diedero forma al modello standard della fisica delle particelle e aprirono la mente dei teorici al fatto che ne esistessero ancora altre. Per esempio, i tentativi di unificare le forze fondamentali della natura in un’unica forza richiedevano di teorizzare un insieme di nuove particelle, e il concetto di supersimmetria, sviluppato negli anni settanta, prevedeva una particella speculare per ogni particella conosciuta nell’universo.

Materia oscura calda e materia oscura fredda.
Per cercare l’origine di questa particella gli scienziati si sono tuffati negli istanti successivi al Big Bang da dove hanno avuto origine tutte le particelle.
Negli istanti immediatamente successivi al Big Bang l’universo ha attraversato due fasi di rapida espansioni: una calda ed una fredda che avrebbe generato materia oscura calda e materia oscura fredda.

La materia oscura calda è una forma di materia oscura composta da particelle che viaggiano a velocità relativistiche. Il candidato principale per la materia oscura calda è il neutrino. Alcuni anni fa si pensava che i neutrini potessero essere ritenuti responsabili per la materia oscura, ma con l’attuale conoscenza della loro massa e della loro velocità possono contribuire solo per una frazione insignificante.

La materia oscura fredda è l’ipotetica materia oscura formata da particelle “lente” e quindi “fredde”.
Furono candidate tre tipi di particelle.
Le Wimps, particelle che non interagiscono con la materia circostante ma che hanno una massa considerevole. Attualmente non si conoscono particelle che rispondono a tali requisiti. Il loro studio ha richiesto l’uso degli acceleratori di particelle che finora hanno dato esiti negativi.
I Machos oggetti massicci e compatti che possono essere oggetti condensati come i buchi neri, le stelle di neutroni e le nane bianche, oppure stelle molto deboli o oggetti non luminosi come pianeti. La loro ricerca consiste nel ricercare l’effetto di lente gravitazionale che questi oggetti produrrebbero.
Gli Assioni, inventati per spiegare il valore molto piccolo di un parametro del modello standard.

I risultati
Dalla metà degli anni ottanta decine di progetti hanno cercato le rare interazioni previste tra particelle di materia oscura e materia ordinaria.
In questi esperimenti si collocano grandi serbatoi di gas nobili liquefatti o di solidi preparati opportunamente, mantenuti a temperature bassissime, in ambienti ben schermati, come miniere sotterranee, per evitare la contaminazione da parte delle radiazioni cosmiche. Rivelatori sensibili attendono pazienti i segni distintivi di una particella di materia oscura che rimbalza su un nucleo atomico nel bersaglio liquido o solido.
L’ultima tornata di ricerche sulla materia oscura si è appena conclusa. I sensibilissimi esperimenti Large Underground Xenon (LUX), in South Dakota, e Particle and Astrophysical Xenon Detector (PandaX-II), nella provincia del Sichuan, in Cina, come tutti gli altri tentativi di rilevamento della materia oscura prima di loro, hanno riferito di non aver trovato prove delle particelle che potrebbero costituire la materia oscura.
Anche i primi risultati di XENON1T ai Laboratori nazionali del Gran Sasso dell’Istituto nazionale di fisica nucleare sono stati negativi.
In Giappone, Super-Kamiokande non ha osservato alcun segnale di decadimento di protoni, che costituirebbe una prova a favore dell’unificazione delle forze fondamentali e darebbe credibilità all’idea che debbano esistere queste particelle invisibili. Parallelamente, gli scienziati del Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra hanno cercato nuove particelle con le giuste proprietà per la materia oscura e non ne hanno visto traccia. Oltre al previsto bosone di Higgs, LHC non ha osservato nuove particelle.

Un duro colpo per i “cacciatori” di particelle oscure.
Naturalmente questi risultati negativi non escludono la materia oscura. Le teorie sulla materia oscura particellare sono diventate sempre più sofisticate, per non dire forzate, qualche volta assurde.

Per eludere il conflitto con l’assenza di risultati sperimentali, i teorici ora ipotizzano che queste particelle interagiscano con la materia ordinaria ancora meno di quanto si pensasse inizialmente. Alcuni ricercatori hanno iniziato a ipotizzare ulteriori forze e altre specie di particelle da aggiungere alle nuove particelle originali. Questa proliferazione di particelle invisibili è diventata così comune nella letteratura che le è stato dato un nome collettivo: il «settore nascosto».

È sempre più chiaro che alcuni vecchi problemi del paradigma della materia oscura sopravvivono ancora oggi dopo i numerosi tentativi di risolverli.

Nel frattempo l’idea che la materia oscura sia costituita da particelle ha ricevuto una spallata anche da una direzione completamente diversa. Nuovi dati astrofisici registrati e analizzati sono in conflitto con le previsioni sulla materia oscura composta da particelle.

Dopo trent’anni di tentativi falliti di rilevare questa particella, non è più ragionevole ignorare ipotesi alternative.

……. segue.