Una simulazione della struttura a larga scala dell’Universo con filamenti di materia oscura in blu e zone di formazione delle galassie in giallo. La materia oscura non può ancora essere rilevata direttamente. I fisici della UC Davis hanno proposto un nuovo modello per spiegarne la natura. Crediti: Zarija Lukic/Lawrence Berkeley National Laboratory.
Durante Planck 2019 – la 22esima conferenza internazionale Dalla scala di Planck alla scala elettrodebole, tenutasi a Granada, in Spagna, dal 3 al 7 giugno 2019 – i fisici teorici dell’Università Davis della California hanno proposto un nuovo candidato per la materia oscura e un modo per individuarlo.
Si pensa che la materia oscura rappresenti poco più di un quarto del nostro universo, e che la maggior parte del resto sia costituita da un’energia oscura ancora più misteriosa. La materia oscura non può essere vista direttamente, ma la sua presenza può essere rilevata perché la gravità che esercita determina la forma delle galassie e di altri oggetti lontani.
Molti fisici credono che la materia oscura sia costituita da alcune particelle ancora da scoprire. Per un po’ di tempo, il candidato più gettonato sono state le Wimp (Weakly Interacting Massive Particles, particelle massicce a debole interazione), particelle esotiche che non interagiscono con la materia circostante ma che hanno una massa considerevole. Ma, nonostante anni di sforzi, tali particelle non sono mai state rivelate da esperimenti dedicati.
«Non sappiamo ancora cosa sia la materia oscura», afferma John Terning, professore di fisica e co-autore dell’articolo. «Il candidato principale per molto tempo sono state le Wimp, ma sembra che siano quasi del tutto escluse».
Un’alternativa alle Wimp richiede una forma di “elettromagnetismo oscuro” che includa “fotoni oscuri” e altre particelle. I fotoni oscuri dovrebbero avere un debole accoppiamento con i fotoni “normali”.
Nel loro nuovo articolo, Terning e Christopher Verhaaren danno una svolta a questa idea, proponendo un “monopolo magnetico oscuro” che interagirebbe con il fotone oscuro.
Nel mondo macroscopico, i magneti hanno sempre due poli: nord e sud. Un monopolo è una particella che agisce come l’estremità di un magnete. I monopoli sono previsti dalla teoria quantistica ma non sono mai stati osservati in un esperimento. Gli scienziati suggeriscono che i monopoli oscuri interagirebbero con i fotoni oscuri e gli elettroni oscuri nello stesso modo in cui la teoria prevede che elettroni e fotoni interagiscano con i monopoli.
Questa caratteristica implica un modo per rilevare queste particelle oscure. Il fisico Paul Dirac ha predetto che un elettrone che si muove lungo una traiettoria circolare vicino a un monopolo risentirebbe di un cambiamento di fase nella sua funzione d’onda. Poiché gli elettroni, nella teoria quantistica, esistono sia come particelle che come onde, lo stesso elettrone potrebbe passare su entrambi i lati del monopolo e di conseguenza essere leggermente fuori fase da un lato rispetto all’altro.
Questo fenomeno di interferenza, chiamato effetto Aharonov-Bohm, comporta che una particella carica venga influenzata da campi elettromagnetici in regioni in cui tali campi sono nulli, ossia che un elettrone che passa attorno a un campo magnetico ne risulta influenzato, anche se non passa attraverso il campo stesso.
Terning e Verhaaren sostengono che è possibile rilevare un monopolo oscuro a causa del modo in cui modifica la fase degli elettroni mentre gli passano vicino. «Si tratta di un nuovo tipo di materia oscura, ma forniamo anche un nuovo modo per cercarlo», sostiene Terning. «I fasci di elettroni sono relativamente facili da ottenere: i microscopi elettronici sono stati usati per dimostrare l’effetto di Aharonov-Bohm già negli anni ’60, e la tecnologia è migliorata sensibilmente con il passare del tempo».
Teoricamente, le particelle di materia oscura ci attraversano continuamente. Per essere rilevabili nel modello di Terning e Verhaaren, i monopoli dovrebbero essere eccitati dal Sole. Poi, impiegherebbero circa un mese per raggiungere la Terra, viaggiando a circa un millesimo della velocità della luce.
Lo sfasamento previsto è estremamente piccolo: più piccolo di quello necessario per rilevare, per esempio, le onde gravitazionali. Tuttavia, Terning fa notare che quando Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) venne proposto per la prima volta, la tecnologia in grado di farlo funzionare non esisteva ancora, ma nel tempo si riuscì a fare.
Parallelamente, gli scienziati del Berkeley Lab e dell’Università di Berkeley stanno portando avanti nuovi esperimenti per sondare particelle di materia oscura a bassa massa e hanno preparato un rapporto che mette in luce tre principali direzioni di ricerca prioritarie nella ricerca di materia oscura a bassa massa.
La ricerca della materia oscura si sta espandendo e la caccia sta ampliando i suoi orizzonti.