Gli esperimenti finora condotti negli acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider del Cern di Ginevra, hanno confermato il Modello Standard, teoria che unifica tre delle quattro forze fondamentali (forza forte, forza debole e forza elettromagnetica). Si potrebbe credere lo scenario ideale per un fisico, vedere confermata la teoria, ma in questo caso è il contrario.
Il Modello Standard infatti, per quanto solido, non è ancora abbastanza. Non riesce a unificare alle altre la quarta forza fondamentale, la gravità, per esempio; non prevede massa per i neutrini, né l’esistenza della materia oscura. Serve qualcos’altro dunque, qualche osservazione sperimentale che metta sulla traccia di una “nuova fisica”, in grado di abbracciare e superare il Modello Standard.
Esistono alcune teorie, ancora non dimostrate sperimentalmente, che provano a unificare la forza gravitazionale alle altre tre, includendo una trattazione quantistica della gravità. Abbiamo recentemente parlato di una di queste teorie, la supergravità, i cui “padri”, l’italiano Sergio Ferrara (Cern e associato Infn) l’americano Daniel Z. Freedman (Mit e Stanford University) e l’olandese Peter van Nieuwenhuizen (Stony Brook University), sono stati insigniti del premio Breakthrough 2019, una sorta di premio Oscar della fisica.
La supergravità unisce la relatività generale alla supersimmetria, teoria che assegna una particella partner ad ognuna delle particelle elementari finora conosciute. All’elettrone corrisponderebbe un (super)partner di nome selettrone, al quark uno squark, al gluone un gluino, al gravitone un gravitino. E così via. Osservare questi superpartner negli acceleratori di particelle darebbe il via a quella “nuova fisica” tanto agognata e porterebbe un passo più vicini alla grande unificazione delle quattro forze fondamentali. Oppure lascerebbe intravedere qualche particella ancora sconosciuta che si riveli il candidato ideale per la materia oscura.
Krzysztof Meissner, Università di Varsavia
Uno studio, condotto da Krzysztof A. Meissner, della University of Warsaw, e Hermann Nicolai, direttore del Max Planck Institute for Gravitational Physics di Potsdam, e da poco apparso sulla rivista Physical Review Letters, ipotizza l’esistenza di un gravitino supermassiccio come candidato per la materia oscura e fornisce anche un metodo per rivelarlo.
«L’idea comune è che la materia oscura sia formata da una particella elementare che non è stato ancora possibile rilevare perché interagisce con la materia ordinaria quasi esclusivamente attraverso la forza gravitazionale», spiega Nicolai. «In particolare, il nostro modello prevede l’esistenza di un gravitino massiccio, che – diversamente dai soliti candidati (assioni e Wimp) e diversamente dal gravitino leggero teorizzato finora – interagirebbe fortemente ed elettromagneticamente con la materia ordinaria».
Meissner e Nicolai esplorano la supersimmetria con un cambio di prospettiva. Non alle basse energie, trattazione dalla quale scaturisce il gravitino leggero teorizzato finora, ma alle alte energie, che portano alla presunta esistenza di un gravitino più massiccio. La massa di questa ipotetica particella è dell’ordine della massa di Planck, cioè più o meno un centomilionesimo di chilogrammo. Per quanto possa sembrare assurdo, questa è una massa notevole per un particella: per confronto, il protone è 10 miliardi di miliardi di volte meno massiccio.
Che le particelle candidate ad essere la materia oscura siano così massicce significa che non possono essere troppo abbondanti nell’universo, altrimenti ci sarebbe troppa massa, più di quella che si deduce dall’osservazione. Secondo questo modello basterebbe un gravitino supermassiccio ogni 10mila chilometri cubi per giustificare la quantità di materia oscura misurata nell’universo.
Hermann Nicolai, Max Planck Institute for Gravitational Physics di Potsdam
Se queste particelle esistessero e fossero in grado di interagire anche elettromagneticamente, sarebbero certo più facili da rivelare. Meissner e Nicolai suggeriscono di usare l’intero pianeta Terra come strumento di paleo-rivelazione.
Particelle massicce come questi gravitini si muoverebbero a velocità notevolmente più basse della velocità della luce, ma riuscirebbero comunque ad attraversare oggetti come un pianeta in virtù proprio della loro massa. Nei corso dei quattro miliardi e mezzo di anni circa in cui ha percorso la sua orbita attorno al Sole, la Terra dovrebbe aver subìto l’attraversamento di qualche gravitino.
«Le radiazioni ionizzanti causano difetti reticolari nelle strutture cristalline. Potrebbe essere possibile rilevare reliquie di tali tracce di ionizzazione in cristalli che rimangono stabili per milioni di anni», spiega Nicolai.
Anzi, proprio grazie a questo lungo “tempo di esposizione”, tale strategia di ricerca potrebbe anche avere successo nel caso in cui la materia oscura non sia distribuita in modo omogeneo all’interno delle galassie ma soggetta a fluttuazioni di densità locale. Cosa che potrebbe anche spiegare il fallimento registrato finora dalle ricerche per i candidati più convenzionali della materia oscura.
Per saperne di più:
- Leggi l’articolo pubblicato su Physical Review Letters, “Planck mass charged gravitino dark matter” di Krzysztof A. Meissner e Hermann Nicolai.