I fotoni oscuri sono la “quinta forza” che tiene insieme il nostro universo?

Non sappiamo cosa sia, ma sappiamo che c'è qualcosa che influenza gravitazionalmente i moti delle stelle e delle galassie

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I fisici sono a caccia della forza invisibile che da forma al nostro universo. Oggi, una parte della ricerca è indirizzata verso particelle fondamentali chiamate “fotoni oscuri” che potrebbero costituire una forza finora elusiva, la quinta, dopo le quattro finora scoperte.

I fotoni oscuri avrebbero il compito di mediare l’interazione tra la materia ordinaria e la misteriosa ed elusiva materia oscura.

Ma gli scienziati sanno da tempo che la natura è dominata da quattro forze conosciute, quindi come potrebbe un’altra forza nascondersi da così tanto tempo? Le quattro forze conosciute regolano la nostra esistenza:
La forza nucleare forte lega insieme i nuclei atomici;
La forza nucleare debole è responsabile del decadimento radioattivo;
La forza elettromagnetica è responsabile dell’interazione tra particelle che trasportano una carica elettrica;
La forza di gravità, di gran lunga la più debole e meno conosciuta tra le quattro è una forza sempre attrattiva.

Usando queste quattro forze fondamentali, i fisici sono in grado di capire il mondo subatomico e macroscopico. Ma i misteri non mancano riguardo le interazioni nel nostro universo e uno di essi si chiama materia oscura.

La materia oscura è semplicemente un tipo di materia che non vediamo, o nasconde una qualche forza sconosciuta che non riusciamo a calcolare?



Un team internazionale di fisici, descrivendo il loro lavoro sul sito di prestampa arXiv, ha usato i dati dal Large Hadron Collider, il più grande acceleratore di particelle del mondo, per cercare una quinta forza ma, per ora, la ricerca è stata infruttuosa. Ciò potrebbe significare che le leggi della fisica che conosciamo sono corrette, anche se non siamo in grado di spiegare la materia oscura.

Che cos’è la materia oscura?

La materia oscura è una forma ipotetica di materia che dovrebbe rappresentare circa l’24% della massa totale dell’universo. Non sappiamo cosa sia, ma sappiamo che c’è qualcosa che influenza gravitazionalmente i moti delle stelle e delle galassie. Grazie a queste osservazioni, quasi in modo unanime, gli astronomi sono arrivati alla conclusione che c’è qualcosa che sfugge ai nostri strumenti. Potremmo chiamare in un’altro modo la materia oscura, invisibile ad esempio, possiamo dedurre la sua esistenza dall’influenza della forza di gravità ma non possiamo vederla in nessun modo perché tale materia non interagisce con le radiazioni elettromagnetiche. La materia oscura non assorbe, emette, riflette, rifrange o disperde in qualche modo i fotoni, quindi non la vediamo. Probabilmente un grande numero di particelle di materia oscura attraversa tutto ciò che incontra, influenzando i destini del cosmo attraverso la gravità senza lasciare tracce rilevabili.

Non abbiamo la più pallida idea di cosa sia composta la materia oscura e non possiamo fare altro che provare diversi tipi di scenari per capirlo. Innanzitutto sappiamo che, qualunque cosa sia e di qualunque cosa sia composta, la materia oscura è indispensabile per spiegare quello che succede al nostro universo in quanto, insieme all’energia oscura, ne costituisce la stragrande maggioranza della massa.

L’esistenza delle particelle di cui dovrebbe essere costituita può essere dedotta solo attraverso la gravità, non ci sono altre interazioni tra la materia oscura e quella ordinaria. Non osserveremo mai la materia oscura direttamente ma possiamo rilevarne l’esistenza solo indirettamente. Questo è tutto quello che sappiamo.

I teorici però continuano ad escogitare idee su cosa sia la materia oscura e in che modo rilevarla. In teoria, la materia oscura potrebbe interagire debolmente con la materia ordinaria attraverso l’interazione nucleare debole e gli sperimentatori sono al lavoro per progettare nuovi rivelatori in tutto il mondo. Questo scenario conferma la sola esistenza delle quattro forze fondamentali in natura.

Se la materia oscura fosse costituita da una nuova particella ancora misteriosa, è ragionevole supporre che sia prodotta da una forza della natura ancora sconosciuta, che fa in modo che la materia oscura stessa, interagisca solo con sé stessa o con l’energia oscura, un’altro componente a noi ancora ignoto legato all’espansione accelerata dell’universo o potrebbe creare nuove interazioni tra la materia ordinaria e la parte di universo “oscuro“.

I due costituenti dell’universo oscuro potrebbero comunicare con una particella chiamata fotone oscuro, analogo al fotone che media la forza elettromagnetica. Non possiamo vedere direttamente i fotoni oscuri, ma potrebbero interagire con il nostro mondo. In questo scenario, la materia oscura emette fotoni scuri, che sono particelle relativamente massicce. Ciò significa che hanno effetti solo su a breve raggio, al contrario delle loro controparti leggere. Raramente, un fotone oscuro potrebbe interagire con un fotone normale, cambiandone l’energia e la traiettoria.

Interazioni fotone oscuro – fotone leggero

Questi sarebbero eventi rarissimi, altrimenti, avremmo già notato qualcosa di strano molto tempo fa con l’elettromagnetismo.
Anche con i fotoni oscuri sarebbe impossibile rilevare direttamente la materia oscura ma potremmo scoprire l’esistenza dei fotoni oscuri esaminando le interazioni elettromagnetiche quando ad esempio, un fotone oscuro prende energia da un fotone leggero interagendo con esso. Per fare questo occorrerebbe realizzare nuove gigantesche macchine che ci aiutino a creare queste rare interazioni.

Nel lavoro pubblicato su arXiv, i fisici hanno riportato i risultati di tre anni di interazioni utilizzando il Super Proton Synchrotron, il secondo acceleratore di particelle al CERN. Per tre anni gli scienziati hanno fatto scontrare protoni contro un bersaglio esaminandone le particelle prodotte.

I ricercatori hanno rilevato tra le particelle fondamentali prodotte dagli scontri oltre 20 miliardi di elettroni con energie superiori a 100 GeV. Gli elettroni sono particelle cariche e interagiscono tra di essi e in questo esperimento lungo tre anni hanno prodotto un grande numero di fotoni.

Se i fotoni oscuri esistessero veramente, come detto, dovrebbero interagire con i fotoni normali prendendo un po’ della loro energia, un fenomeno che si potrebbe misurare, ma la ricerca non ha rilevato nulla di tutto ciò, i fotoni normali non hanno perso energia.

Questo, tuttavia, non esclude l’esistenza dei fotoni oscuri ma pone dei limiti alle proprietà di queste particelle, la loro esistenza sarebbe confinata ad un’energia molto bassa, meno di un GeV e interagirebbe raramente con i fotoni normali.

Fonti: https://www.livescience.com/dark-photon-search-comes-up-empty.html; Arxiv: https://arxiv.org/pdf/1906.00176.pdf 

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