La materia oscura esiste da prima del Big Bang?

Non abbiamo idea di cosa sia la materia oscura, ma l’astrofisico Tommi Tenkamen della Johns Hopkins University ha affermato che se questa misteriosa sostanza ha a che fare con le particelle scalari potrebbe esistere da prima del Big Bang.

Il solo campo quantistico scalare fondamentale che è stato osservato in natura è il campo di Higgs, un campo di energia che si pensa permei l’intero universo.

I fisici hanno speculato su nuovi tipi di materia che vanno da particelle grandi come un pianeta fino alla vita fatta di materia oscura, coerente con le leggi note dell’universo. Tuttavia fino ad oggi niente di simile è stato rilevato nei vari esperimenti proposti per trovare la materia oscura.

La scoperta del bosone di Higgs al Large Hadron Collider avvenuta nel 2012 ha provocato una breve esplosione di ottimismo sul fatto che le particelle di materia oscura sarebbero state scoperte a breve, ma finora nessuna di esse è stata rilevata.

Purtroppo la materia oscura non può essere individuata in quanto interagisce troppo debolmente con la materia ordinaria e soprattutto non interagisce con i fotoni se non incurvandone le traiettorie. Anche altri scenari non prevedono interazioni tra il cosmo fatto di atomi e la materia oscura se non attraverso deboli interazioni gravitazionali.

Nonostante la materia oscura interagisca troppo debolmente per essere osservata negli esperimenti con le particelle, può essere “osservata” nelle ricerche astronomiche. Avremo un’idea più chiara della materia oscura quando il satellite Euclid dell’Esa, l’ente spaziale europeo, verrà lanciato nello spazio. La partenza di Euclid è prevista nel 2022.

Euclid è pensato per studiare i primi istanti del Big Bang e per capire perché l’espansione dell’Universo sta accelerando e qual è l’origine della fonte responsabile dell’espansione accelerata che i fisici chiamano energia oscura. 

Euclid esplorerà l’evoluzione dell’universo negli ultimi 10 miliardi di anni per affrontare questioni relative alla fisica e alla cosmologia fondamentali sulla natura e le proprietà dell’energia oscura, della materia oscura e della gravità. 

Una teoria sostiene che la materia oscura potrebbe essere composta da particelle chiamata assione che potrebbero essere rilevabili con esperimenti basati sul laser esistenti. Questi esperimenti rilevano onde gravitazionali, e sono le macchine più sensibili mai realizzate. Questi rilevatori rilevano fluttuazioni paragonabili a dimensioni subatomiche, su una lunghezza di chilometri. 

Gli assioni, se esistono, dovrebbero avere una massa inferiore a quella degli elettroni. Il nostro universo è pieno di materia oscura e si stima che all’interno del nostro pianeta si celino 500 grammi di questa misteriosa sostanza, pari al peso di uno scoiattolo.

La materia oscura WIMP

Tra le tante teorie per spiegare la materia oscura una sostiene che a costituire la sfuggente sostanza siano delle particelle massicce chiamate WIMP. queste particelle pesanti non interagirebbero se non molto debolmente con la materia ordinaria.

Siamo abbastanza sicuri di questo perché le interazioni non è state ancora viste direttamente. La sua presenza può essere dedotta dalla sua attrazione gravitazionale. Si sono fatti molti tentativi di rilevare le WIMP, anche al LHC l’acceleratore di particelle più potente al mondo. Un’altra particella candidata si chiama assione.

I modelli suggeriscono che la materia oscura formata da assioni modula la polarizzazione della luce, che è l’orientamento dell’oscillazione delle onde elettromagnetiche. Questa modulazione di polarizzazione può essere migliorata se la luce viene riflessa avanti e indietro molte volte in una cavità ottica composta da due specchi paralleli. Gli esempi più noti di questo tipo di cavità sono i lunghi bracci del tunnel degli osservatori di onde gravitazionali.

Purtroppo la ricerca sulla materia oscura non riceve la stessa attenzione e nemmeno gli stessi finanziamenti di altre aree della ricerca scientifica, quindi vengono compiuti grandi sforzi per escogitare modi per rendere la ricerca più efficiente e possibilmente economica. Ciò è rilevante poiché altri modi teorici per osservare gli assioni implicano campi magnetici estremamente potenti che comportano grandi investimenti. 

Per questo i ricercatori suggeriscono che gli osservatori di onde gravitazionali come il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti, Virgo in Italia e KAGRA in Giappone potrebbero essere modificati con una spesa contenuta per cacciare gli assioni senza pregiudicare il loro scopo primario.

I ricercatori hanno escogitato un sistema per dare ai lunghi bracci del tunnel degli osservatori di onde gravitazionali come KAGRA la capacità di rilevare potenzialmente anche la materia oscura. 

L’idea è promettente perché le modifiche alle strutture non ridurranno la sensibilità su cui fanno affidamento per la loro funzione primaria, che è quella di rilevare le onde gravitazionali prodotte da eventi come le fusioni di buchi neri.