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Il mistero della materia oscura e la caccia alle particelle WIMP

La materia ordinaria rappresenta meno del 20 percento di tutta la materia presente nell'universo, il resto è formato dalla materia oscura che sarebbe composta dalle misteriose particelle WIMP, o cosi almeno si è fino ad oggi ritenuto

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Le particelle WIMP, a lungo considerate le principali candidate per spiegare il mistero della materia oscura, sono state appena smentite. Le misteriose particelle  non sono state osservate in un esperimento progettato specificamente per testare l’unico studio precedente che sembrava averle individuate.

Da qualche decennio i fisici sospettano che la maggior parte della materia presente nell’universo non abbia nulla a che fare con la materia ordinaria, composta da quark ed elettroni, che compone tutte le strutture che riusciamo a osservare.

Il comportamento di macrostrutture come galassie e ammassi di galassie indicano infatti la presenza di “qualcosa” che le influenza attraverso la forza di gravità, che ha preso il nome di materia oscura.

La materia ordinaria rappresenta meno del 20 percento di tutta la materia presente nell’universo, il resto è composto dalla materia oscura che sarebbe costituita dalle misteriose particelle WIMP, o cosi almeno si è fino ad oggi ritenuto.

I fisici teorici hanno suggerito che in natura esistono alcune particelle, predette da una teoria nota come  supersimmetria o SUSY. Quelle particelle, seppur massicce per gli standard subatomici, interagirebbero debolmente con la materia ordinaria, per questo sono state chiamate “particelle massicce a interazione debole”, o WIMP.

Di tutte le possibili specie di particelle WIMP, quella più leggera dovrebbe possedere le caratteristiche necessarie per spiegare la materia oscura che influenza il movimento di stelle e galassie.

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Nel XX secolo sono iniziate le ricerche delle particelle WIMP nel tentativo di dimostrare la loro esistenza e identificare quali specie costituiscono la materia oscura.

DAMA e le particelle WIMP

Nel 1998, un team di  fisici dichiarò di aver rilevato alcune particelle che corrispondevano alle misteriose particelle WIMP teorizzate dalla Supersimmetria. Le particelle furono individuate durante l’esperimento DAMA. L’esperimento DAMA o Dark Matter era costituito da un rilevatore di particelle sepolto sotto le Alpi italiane.

L’esperimento  DAMA si basava sulla premessa che lo spazio fosse attraversato da sciami di particelle WIMP. Un rilevatore, contenente pezzi di ioduro di sodio, avrebbe dovuto emettere un lampo di luce se attraversato da una particella WIMP. Tuttavia anche altre particelle radioattive produrrebbero lampi di luce simili.

Per ottenere un segnale riconoscibile come WIMP i fisici sperimentali adottarono una vecchia idea proposta dai fisici Katherine Freese, David Spergel e Andrzej Drukier, noto come test di modulazione annuale, o test giugno – dicembre.

WIMP: test giugno-dicembre

Mentre la Terra percorre la sua orbita attorno al Sole, anche il Sole orbita attorno alla Via Lattea, all’interno di un braccio a spirale in direzione della costellazione del Cigno. Se la galassia è attraversata costantemente da particelle WIMP, il Sole dovrebbe attraversarle generando un “vento di WIMP”. 

Nel mese di giugno, la Terra si sposta nella stessa direzione del Sole intorno alla galassia, andando incontro al vento WIMP. Ma a dicembre la Terra si muove nella direzione opposta, allontanandosi dal vento WIMP

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Tirando le somme, un numero maggiore di particelle WIMP dovrebbero attraversare il nostro pianeta a giugno, proprio come quando corriamo sotto la pioggia impattando contro un numero maggiore di gocce d’acqua.

In una conferenza di astrofisica tenutasi a Parigi nel dicembre 1998, Pierluigi Belli del team DAMA annunciò che l’esperimento rilevò un maggior numero di particelle a giugno rispetto che a dicembre. L’esperimento suggerì che la modulazione di frequenza annuale dei lampi luminosi mostravano un picco a giugno e un minimo a dicembre.

WIMP: il mistero della massa

I dati dell’esperimento DAMA indicavano per le particelle WIMP un valore della massa pari a 60 volte quella di un protone.

DAMA aveva fatto centro? Se il team era nel giusto, anche altre ricerche che utilizzavano diversi rilevatori e strategie, avrebbero dovuto trovare le WIMP.

Una versione avanzata dell’esperimento DAMA, chiamato DAMA / LIBRA, continuò a trovare la disparità tra giugno e dicembre. Forse DAMA era più sensibile alle particelle WIMP rispetto ad altri esperimenti. 

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Alcuni esperimenti utilizzarono sostanze diverse dallo ioduro di sodio come materiale di rilevamento e osservarono un leggero aumento della temperatura come segno di una collisione con una WIMP.

Le particelle WIMP potrebbero non essere ciò che pensavano i fisici teorici. DAMA inizialmente calcolò la massa delle particelle WIMP pari a 60 protoni basandosi sul fatto che le particelle collidevano con atomi di iodio. Ma i dati successivi suggerirono che forse le particelle WIMP stavano colpendo atomi di sodio, il che implicava una massa di più leggera.

Oppure le particelle stavano colpendo un altro elemento, il tallio, un atomo molto più pesante dello iodio e del sodio. Tuttavia una recente revisione della proposta ha sottolineato che i risultati dell’esperimento DAMA non potevano accordarsi con l’assenza di rilevamento in altri esperimenti.

Le difficoltà della SUSY

L’esperimento DAMA è stato messo ulteriormente in discussione da un nuovo esperimento sotterraneo effettuato in Spagna. I ricercatori della collaborazione ANAIS hanno ripetuto il test di modulazione annuale con lo ioduro di sodio, nel tentativo di riprodurre i risultati di DAMA con lo stesso metodo e con gli stessi materiali. 

Dopo tre anni di attività, il team ANAIS non ha trovato traccia di particelle WIMP.

Le conclusioni che hanno sconfessato le rilevazioni delle WIMP dell’esperimento DAMA si basano su analisi sofisticate. Le analisi sono basate sulla raccolta di rigorosi dati sul comportamento di nove diversi moduli di ioduro di sodio, sulla presenza di isotopi radioattivi generati dalle collisioni dei raggi cosmici e sull’analisi statistica necessaria per discernere una differenza di segnale inverno-estate.

Inoltre, ANAIS è ancora in corso, con l’intenzione di raccogliere altri due anni di dati prima dell’analisi finale. Quindi il giudizio sulle WIMP segnalate da DAMA non è necessariamente definitivo.

Pur non essendo definitivo, il giudizio non sembra a favore delle particelle WIMP, almeno per quel tipo di particella predetta dalla Supersimmetria. E ci sono altre cattive notizie per chi ritiene che le WIMP siano alla base della materia oscura. Anche i tentativi di produrre le WIMP negli acceleratori di particelle sono finora andati a vuoto. 

La materia oscura potrebbe essere costituita da un altro tipo di particella subatomica che ancora oggi sfugge alla nostra comprensione.