“Non sappiamo cosa sia la materia oscura, ma se ha qualcosa a che fare con eventuali particelle scalari come gli assioni, potrebbe essere più vecchia del Big Bang“. È quanto affermato dall’astrofisico della Johns Hopkins University Tommi Tenkanen, commentando la pubblicazione di un nuovo studio dell’università degli studi di Tokyo che propone l’assione come candidato per la materia oscura.
Da anni ormai i fisici si lambiccano con il mistero della materia oscura, arrivando ad ipotizzare nuovi tipi di materia che vanno da particelle delle dimensioni di un pianeta a particelle praticamente invisibili come gli assioni, cercando di restare in accordo con le leggi conosciute dell’universo.
Finora, purtroppo, non si è riusciti a rilevarla né a confermarne l’esistenza. “La natura della materia oscura è uno dei più grandi misteri della scienza e dobbiamo utilizzare tutte le informazioni correlate disponibili per affrontarla“, ha affermato l’astronomo Avi Loeb, del Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian.
Purtroppo la materia oscura è “oscura“, nel senso che, finora, non siamo riusciti a scoprire con cosa interagisce, non lo fa nemmeno con la luce.
Apparentemente, in alcuni scenari potrebbe avere un leggero effetto sul passaggio delle onde luminose. Ma altri scenari non prevedono alcuna interazione tra il nostro mondo e la materia oscura, oltre a quelli mediati dalla gravità. Ciò la rende molto difficile da individuare, non sappiamo bene che tipo di particelle cercare.
Potrebbe, però, esserci una possibilità: mentre la materia oscura è troppo sfuggente per essere individuata con i classici esperimenti sulle particelle, può rivelare la sua presenza nelle osservazioni astronomiche. Impareremo di più sull’origine della materia oscura quando il satellite Euclid dell’ESA sarà lanciato nel 2022. Questo satellite è stato concepito con lo scopo di sondare l’eone prima del Big Bang e capire perché l’espansione dell’Universo sta accelerando e qual è la natura di quella che i fisici chiamano energia oscura, qualcosa che, secondo i ricercatori, dovrebbe essere la principale responsabile dell’espansione accelerata dell’universo.
Ora, c’è questa nuova ricerca che ci arriva dai fisici giapponesi: “Non conosciamo la massa degli assioni, ma riteniamo che abbia una massa inferiore a quella degli elettroni. Per quanto ne sappiamo, l’universo è pieno di materia oscura e ci sono delle stime secondo le quali la Terra ne conterrebbe almeno 500 grammi”, ha affermato uta Michimura del dipartimento di Fisica dell’Università di Tokyo, presentando lo studio. “Siamo partiti dal presupposto che l’assione sia una particella molto leggera che interagisce a malapena con i tipi familiari di materia. Pertanto, lo consideriamo un buon candidato per la materia oscura“.
Se non riusciamo a vederla o a rilevarla, come facciamo ad essere sicuri che la materia oscura esiste?
Si pensa che la materia oscura debba esistere per via del suo effetto su enormi corpi astronomici ma, appunto, non siamo ancora riusciti ad osservarla o identificarla direttamente. Ora c’è questa teoria seconda la quale la materia oscura potrebbe essere composta di assioni, particelle teoriche non ancora rilevate ma che si pensa possano essere individuate con esperimenti basati su laser che già esistono. Questi esperimenti laser sono gli osservatori di onde gravitazionali come LIGO e Virgo.
Altre teorie sul modo in cui la materia oscura potrebbe rivelarsi, sostenuta da molti fisici, implica l’esistenza di una particella voluminosa teorica o WIMP che interagisce debolmente con la materia ordinaria. Sappiamo che questo è vero perché non è stata ancora vista direttamente, ma deve anche essere dotata di una certa massa in quanto la sua presenza può essere dedotta dalla sua attrazione gravitazionale.
Sono stati fatti enormi sforzi per rilevare i WIMP, anche con il Large Hadron Collider in Svizzera, ma i WIMP non sono stati ancora osservati.
Che si tratti di WIMP o assioni, i fisici continuano ad escogitare modi sempre più sofisticati ed intricati per compensare la mancanza di interazione di queste particelle, sperando di rivelare la firma rivelatrice della materia oscura, che, secondo i calcoli, costituisce oltre un quarto dell’universo visibile.
“I nostri modelli suggeriscono che la materia oscura, se composta da assioni modula la polarizzazione della luce, che è l’orientamento dell’oscillazione delle onde elettromagnetiche“, ha spiegato Koji Nagano, uno studente laureato presso l’Institute for Cosmic Ray Research dell’Università di Tokyo. “Questa modulazione della polarizzazione può essere migliorata se la luce viene riflessa avanti e indietro più volte in una cavità ottica composta da due specchi paralleli uno di fronte all’altro. Gli esempi più noti di questo tipo di cavità sono i lunghi bracci del tunnel degli osservatori delle onde gravitazionali“.
LIGO e Virgo, appunto.
Insomma, i ricercatori suggeriscono che gli osservatori di onde gravitazionali esistenti come il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti, Virgo in Italia o KAGRA in Giappone potrebbero essere modificati con poca spesa per cercare gli assioni senza pregiudicare le loro funzioni esistenti.
Questo grafico confronta la sensibilità dei rivelatori di onde gravitazionali adatti alla caccia agli assioni. Il progetto è in corso presso l’Institute for Cosmic Ray Research dell’università di Tokyo.
“Con il nostro nuovo schema, abbiamo potuto cercare assioni aggiungendo alcune ottiche di polarizzazione davanti ai sensori a fotodiodo nei rivelatori di onde gravitazionali“, ha spiegato Michimura. “Il prossimo passo che vorrei vedere è l’implementazione dell’ottica su un rivelatore di onde gravitazionali come KAGRA“.
Questa idea è promettente perché gli aggiornamenti alle strutture delle onde gravitazionali non ridurrebbero la sensibilità su cui si basano per la loro funzione primaria, che è, appunto, quella di rilevare le onde gravitazionali. Sono stati fatti tentativi con esperimenti e osservazioni per trovare l’assione, ma finora non è stato trovato alcun segnale positivo. Il metodo proposto dai ricercatori potrebbe essere molto più preciso.
Esistono prove astrofisiche e cosmologiche schiaccianti dell’esistenza della materia oscura, ma la domanda è ancora: cos’è la materia oscura? “È uno dei maggiori problemi in sospeso nella fisica moderna“, ha affermato Nagano. “Se riusciremo a rilevare gli assioni e accertare che sono materia oscura, sarebbe davvero un evento epocale per la fisica e l’astrofisica”.
