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Forze oscure nascoste: una nuova dimensione nella ricerca della materia oscura

Un fisico teorico delle particelle ha pubblicato un documento di ricerca sul Journal of High Energy Physics che mostra come le teorie che ipotizzano l'esistenza di un nuovo tipo di forza potrebbero aiutare a spiegare le proprietà della materia oscura

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Come suggerisce il nome, la materia oscura, materiale che costituisce circa l’85% della massa dell’universo, non emette luce, sfuggendo a un facile rilevamento. Anche le sue proprietà rimangono abbastanza oscure.

Ora, un fisico teorico delle particelle dell’Università di Riverside, in California, ed i suoi colleghi hanno pubblicato un documento di ricerca sul Journal of High Energy Physics che mostra come le teorie che ipotizzano l’esistenza di un nuovo tipo di forza potrebbero aiutare a spiegare le proprietà della materia oscura.

Viviamo in un oceano di materia oscura, eppure sappiamo molto poco di cosa potrebbe essere“, ha detto Flip Tanedo, assistente professore di fisica e astronomia e autore senior dell’articolo. “È una delle incognite più irritanti in natura. Sappiamo che esiste, ma non sappiamo come cercarla o perché non si presenta dove ci l’aspettiamo”.

Forze oscure e materia oscura

I fisici negli ultimi 30 anni hanno usato telescopi, giganteschi esperimenti sotterranei e collisori per saperne di più sulla materia oscura ma nessuna prova positiva si è materializzata. Le prove negative, tuttavia, hanno costretto i fisici teorici come Tanedo a pensare in modo più creativo a cosa potrebbe essere la materia oscura.

La nuova ricerca, che propone l’esistenza di una dimensione extra nello spazio-tempo per la ricerca della materia oscura, fa parte di un programma di ricerca in corso presso l’UC Riverside guidato da Tanedo. Secondo questa teoria, alcune delle particelle di materia oscura non si comportano come particelle.

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In effetti, le particelle invisibili interagiscono con particelle ancora più invisibili in modo tale che queste cessano di comportarsi come particelle.

L’obiettivo del mio programma di ricerca negli ultimi due anni è estendere l’idea della materia oscura che ‘parla’ alle forze oscure“, ha detto Tanedo. “Nell’ultimo decennio, i fisici hanno capito che, oltre alla materia oscura, le forze oscure nascoste possono governare le interazioni della materia oscura. Questo potrebbe riscrivere completamente le regole su come si dovrebbe cercare la materia oscura”.

Se due particelle di materia oscura sono attratte o respinte l’una dall’altra, allora le forze oscure stanno operando. Tanedo ha spiegato che le forze oscure sono descritte matematicamente da una teoria con dimensioni extra e appaiono come un continuum di particelle che potrebbe risolvere enigmi visti nelle piccole galassie.

Il nostro programma di ricerca in corso presso l’UCR è un’ulteriore generalizzazione della proposta che esista una forza oscura“, ha affermato. “Il nostro universo osservato ha tre dimensioni dello spazio. Proponiamo che ci possa essere una quarta dimensione dove operano le forze oscure. La dimensione extra può spiegare perché la materia oscura si è nascosta così bene dai nostri tentativi di studiarla in laboratorio”.

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Tanedo ha spiegato che, sebbene le dimensioni extra possano sembrare un’idea esotica, in realtà sono un trucco matematico per descrivere le “teorie del campo conforme” – teorie tridimensionali ordinarie che sono altamente quantomeccaniche.

Questi tipi di teorie sono matematicamente ricchi, ma non contengono particelle convenzionali e quindi in genere non sono considerati rilevanti per descrivere la natura. L’equivalenza matematica tra queste impegnative teorie tridimensionali e una teoria extra dimensionale più trattabile è nota come principio olografico.

Dal momento che queste teorie del campo conforme sono sia intrattabili che insolite, non sono state realmente applicate sistematicamente alla materia oscura“, ha aggiunto Tanedo. “Invece di usare quel linguaggio, lavoriamo con la teoria olografica extra-dimensionale“.

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La caratteristica chiave della teoria extra-dimensionale è che la forza tra le particelle di materia oscura è descritta da un numero infinito di particelle diverse con masse diverse chiamate continuum. Al contrario, le forze ordinarie sono descritte da un singolo tipo di particella con una massa fissa. Questa classe di settori continuum-oscuri è entusiasmante per Tanedo perché tratta qualcosa di “fresco e diverso“.

Secondo Tanedo, il lavoro passato sui settori oscuri si concentra principalmente su teorie che imitano il comportamento delle particelle visibili. Il suo programma di ricerca sta esplorando i tipi più estremi di teorie che la maggior parte dei fisici delle particelle trova meno interessanti, forse perché non esistono analoghi nel mondo reale.

Nella teoria di Tanedo, la forza tra le particelle di materia oscura è sorprendentemente diversa dalle forze percepite dalla materia ordinaria.

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Per la forza gravitazionale o elettrica che insegno nel mio corso introduttivo di fisica, quando raddoppi la distanza tra due particelle riduci la forza di un fattore quattro. Una forza continua, d’altra parte, viene ridotta di un fattore fino a otto“.

Quali implicazioni ha questa forza oscura extra dimensionale?

Poiché la materia ordinaria potrebbe non interagire con questa forza oscura, Tanedo si è rivolto all’idea della materia oscura auto-interagente, un’idea lanciata da Hai-Bo Yu, professore associato di fisica e astronomia all’UCR che non è un coautore dell’articolo.

Yu ha mostrato che anche in assenza di interazioni con la materia normale, gli effetti di queste forze oscure potrebbero essere osservati indirettamente nelle galassie sferoidali nane. Il team di Tanedo ha scoperto che la forza del continuum può riprodurre i moti stellari osservati.

Il nostro modello va oltre e rende più facile del modello della materia oscura auto-interagente spiegare l’origine cosmica della materia oscura“, ha detto Tanedo.

Successivamente, il team di Tanedo esplorerà una versione continua del modello del “fotone scuro“.

È un’immagine più realistica per una forza oscura“, ha detto Tanedo. “I fotoni oscuri sono stati studiati nei minimi dettagli, ma la nostra struttura extra-dimensionale ha alcune sorprese. Esamineremo anche la cosmologia delle forze oscure e la fisica dei buchi neri”.

Tanedo ha lavorato diligentemente per identificare i “punti ciechi” nella ricerca della materia oscura da parte del suo team.

Il mio programma di ricerca mira a una delle ipotesi che facciamo sulla fisica delle particelle: che l’interazione delle particelle sia ben descritta dallo scambio di più particelle“, ha affermato.

Anche se questo è vero per la materia ordinaria, non c’è motivo di presumerlo per la materia oscura. Le loro interazioni potrebbero essere descritte da un continuum di particelle scambiate piuttosto che dal semplice scambio di un singolo tipo di particella di forza”.

Riferimento: “Continuum-mediated self-interacting dark matter” di Ian Chaffey, Sylvain Fichet e Philip Tanedo, 1 giugno 2021, Journal of High Energy Physics .
DOI: 10.1007/JHEP06 (2021) 008