Il peso della materia oscura

La materia oscura costituisce circa l'83% di tutta la materia presente nell'universo. Non possiamo osservare direttamente la materia oscura perché non interagisce con la luce se non limitandosi a incurvarne il percorso

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Quanto pesa la materia oscura nell’universo? Non può essere osservata direttamente in quanto non interagisce con i fotoni, ma possiamo rilevarne la presenza attraverso le interazioni gravitazionali con la materia ordinaria che compone l’universo “osservabile”.

Una nuova stima potrebbe dirci quanto sono pesanti le particelle che la compongono.

La ricerca restringe notevolmente la massa delle particelle di materia oscura, da una stima compresa tra 10 ^ meno 24 elettronvolt (eV) e 10 ^ 19 Gigaelettron volt (GeV), tra 10 ^ meno 3 eV e 10 ^ 7eV – un possibile intervallo ammette stime di molti trilioni di trilioni di volte più basse di prima.

I risultati potrebbero indicare ai cacciatori di materia oscura di concentrare la propria attenzione sulla gamma di masse di particelle indicate – o potrebbero rivelare una forza ancora sconosciuta che opera nell’universo, ha spiegato Xavier Calmet, professore di fisica e astronomia dell’Università del Sussex nel Regno Unito.

Calmet, insieme al dottorando Folkert Kuipers, ha descritto i loro lavoro in uno studio che sarà pubblicato nel numero di marzo di Lettere fisico B.



Cos’è la materia oscura

La Dark Matter costituisce circa l’83% di tutta la materia presente nell’universo. Non possiamo osservare direttamente la materia oscura perché non interagisce con la luce se non limitandosi a incurvarne il percorso.

I primi indizi della materia oscura risalgono agli anni ’30, mentre le teorie secondo cui le galassie sono intrecciate e avvolte da vasti aloni di questa sostanza risalgono agli anni ’70, quando gli astronomi si resero conto che le galassie ruotavano più velocemente di quanto avrebbero dovuto, vista la quantità di materia visibile che contenevano. 

La materia oscura, secondo alcune teorie, potrebbe essere composta da neutrini, particelle che hanno una massa piccolissima e interagiscono raramente con la materia ordinaria, oppure da particelle ancora non scoperte e solo teorizzate chiamate assioni, o ancora da particelle massicce e debolmente interagenti dette WINP.

Gravità quantistica

La materia oscura sembra interagire con la luce e la materia normale solo attraverso la gravità, e non tramite altre forze fondamentali; e così i ricercatori hanno utilizzato le teorie gravitazionali per arrivare al loro intervallo stimato per le masse delle particelle di materia oscura.

I ricercatori hanno utilizzato concetti tratti dalle teorie della gravità quantistica, che hanno prodotto un intervallo molto più ristretto rispetto alle stime precedenti, che utilizzavano solo la teoria della relatività.

“La nostra idea era molto semplice”, ha detto Calmet a WordsSideKick.com in una e-mail. “È incredibile che nessuno ci abbia pensato prima”.

La teoria della di Einstein si basa sulla fisica classica; predice perfettamente come funziona la gravità ma entra in crisi in circostanze estreme in cui gli effetti della meccanica quantistica diventano significativi.

Le teorie della gravità quantistica cercano di spiegare la gravità attraverso la meccanica quantistica, che può già descrivere le altre tre forze fondamentali conosciute: la forza elettromagnetica, la forte, la forza debole. Nessuna delle teorie sulla gravità quantistica, tuttavia, ha ancora prove evidenti a sostegno della materia oscura.

Calmet e Kuipers hanno stimato il limite inferiore per la massa di una particella di dark matter utilizzando i valori della relatività generale e hanno stimato il limite superiore in base alla durata della vita delle particelle di materia oscura prevista dalle teorie della gravità quantistica.

La natura dei valori della relatività generale definisce anche la natura del limite superiore, quindi sono stati in grado di derivare una previsione indipendente da qualsiasi modello particolare di gravità quantistica.

Lo studio ha scoperto che mentre gli effetti gravitazionali quantistici erano quasi insignificanti, sono diventati importanti quando l’ipotetica particella di materia oscura ha impiegato un tempo estremamente lungo per decadere e quando l’universo era vecchio quanto lo è ora (circa 13,8 miliardi di anni).

I fisici avevano stimato in passato che le particelle di materia oscura dovevano essere più leggere della “massa di Planck” – circa 1,2 x 10 ^ 19 GeV, e almeno 1.000 volte più pesanti delle particelle più grandi conosciute – ma più pesanti di 10 ^ meno 24 eV per adattarsi osservazioni delle galassie più piccole note per contenere materia oscura. 

Pochi studi avevano tentato di restringere la gamma di valori, anche se negli ultimi 30 anni erano stati compiuti grandi progressi nella comprensione della gravità quantistica,

I nuovi limiti per le masse delle particelle di materia oscura potrebbero essere utilizzati anche per verificare se la gravità da sola interagisce con la materia oscura, cosa ampiamente accettata, o se la materia oscura è influenzata da una forza ancora sconosciuta della natura.

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