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La materia oscura
Nessuno sa cosa sia la materia oscura e da dove deriva. Nonostante decenni sfiancanti di ricerche ed esperimenti, a oggi il mistero della materia oscura non è ancora stato risolto.
Sappiamo che deve esistere, e in quantità molto superiore alla materia ordinaria – ce lo dicono molte osservazioni indirette – ma non siamo certi di come sia fatta né siamo mai riusciti a osservarla sperimentalmente.
Secondo il Modello Standard accanto alla materia ordinaria deve esistere anche un altro tipo di materia, una sorta di “componente invisibile”. Sempre stando a quel che sappiamo finora, si stima che per ogni protone, neutrone o altra particella di materia ordinaria, ce ne debbano essere almeno cinque di materia oscura; in altre parole, la materia oscura dovrebbe costituire l’85% circa di tutta la materia presente nell’Universo, e circa il 27% della sua energia totale.
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 (non interagisce con la luce), che è ciò che gli scienziati utilizzano 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. 
Neutrini
I neutrini sono le particelle più inafferrabili a noi conosciute. Da quasi un secolo, il loro studio ha rivelato importantissimi aspetti sulla struttura elementare della materia. Privi di carica elettrica e con massa estremamente piccola, i neutrini interagiscono molto raramente con materia. Questa caratteristica peculiare li ha resi uno dei canditati della materia oscura.
Oggi sappiamo che non può essere così.
Il problema, infatti, sta nel fatto che la massa della materia oscura ha un limite superiore della massa del neutrino che è più piccolo.
Wimp (Weakly interactive massive particles)
Ossia “particelle massive debolmente interagenti”.
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 era il neutrino, ma, come sappiamo, non sono loro i canditati. 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”.
Le caratteristiche che devono avere le particelle candidate ad essere materia oscura fredda sono le seguenti:
- – Nessuna carica elettrica e nessuna carica di colore, (proprietà dei quark, che spiegherò in altra occasione) altrimenti interagirebbero anche in maniera elettromagnetica e forte, e di conseguenza non sarebbero “oscure
- – Devono essere massive.
- – Interagenti con intensità e sezioni d’urto paragonabili a quella dell’interazione debole.
Ebbene, le attuali teorie sulle particelle elementari prevedono che, nelle condizioni presenti nei primi istanti del Big Bang, si formino particelle “esotiche ”genericamente denominate WIMPS che corrisponderebbero alle caratteristiche richieste.
Nonostante gli strumenti sofisticatissimi disponibili, è ancora molto difficile osservare direttamente la materia oscura.
Fimp (Feebly interactive massive particles,)
C’è anche un’altra ipotesi: particelle massive flebilmente interagenti: le Fimp.
Il modello delle Fimp prevede un meccanismo diverso di produzione della materia oscura rispetto al modello delle Wimp.
La materia ordinaria del tipo Wimps, nei primi istanti di vita dell’Universo, sarebbe stata in equilibrio termico con la materia oscura, e le due entità si sarebbero ‘disaccoppiate’ in seguito al raffreddamento.
Nel modello Fimp, invece, la materia oscura è il risultato delle collisioni tra particelle calde di materia ordinaria.
Insomma un bel minestrone di particelle candidate ed essere il primo attore.
La materia oscura potrebbe essere un “relitto cosmico” di altre dimensioni dello spazio-tempo
Qualunque sia la natura della materia oscura, sappiamo che interagisce solo con la gravità. Questo sta a significare che in qualche modo c’entra il gravitone, particella massiva, mai trovato, quell’intermediario mancante (interazione fondamentale) nel Modello Standard di debole intensità che tuttavia riesce a legare la materia, a formare galassie, pianeti, astri. La quarta forza della natura.
Fino a oggi la ipotesi del gravitone era ritenuta poco credibile, perché il numero di gravitoni prodotti sembrava essere troppo basso per dar luogo alla quantità di materia oscura che pensiamo ci sia oggi nell’Universo. I nuovi calcoli, invece, mostrano che il numero di gravitoni è in realtà molto più alto, in particolare di un fattore 12. E questo numero è consistente con la quantità di materia oscura.
La teoria, supportata da calcoli, è abbastanza esotica, e prevede l’esistenza di dimensioni extra rispetto alle tre dimensioni spaziali e al tempo. Propagandosi in queste dimensioni extra, la gravità si “materializzerebbe” poi nell’Universo sotto forma di gravitoni massivi, che interagirebbero molto debolmente con la materia ordinaria.
Come trovare i gravitoni?
Ci sarebbe la possibilità, al momento più remota, di provare a produrre gravitoni in laboratorio, con un acceleratore di particelle. Al momento gli acceleratori che abbiamo a disposizione non raggiungono un’energia sufficiente, ma una macchina costruita ad hoc potrebbe riuscirci”.
Le particelle di materia oscura sarebbero i resti di gravitoni prodotti nei primi istanti di vita dell’Universo. La materia oscura potrebbe essere un “relitto cosmico” di altre dimensioni dello spazio-tempo