Un team di ricercatori ha indicato che le osservazioni di antielio nei raggi cosmici potrebbero indicare la presenza di WIMP, particelle teoriche che potrebbero comprendere la materia oscura. Lo studio, che ha riacceso l’interesse per questa materia sfuggente, sfida i modelli astrofisici esistenti e suggerisce la necessità di nuove, più esotiche teorie della fisica delle particelle.
Svelare i misteri della materia oscura
Una delle grandi sfide della cosmologia moderna è svelare la natura della materia oscura. Sebbene sappiamo che esiste (costituisce oltre l’85% della materia nell’Universo), non l’abbiamo mai osservata direttamente e rimaniamo incerti sulla sua composizione. Uno studio recente pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics ha indagato tracce di antimateria nel cosmo che potrebbero indicare una nuova classe di particelle precedentemente non rilevate note come WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), che sono potenziali costituenti della materia oscura.
Lo studio indica che recenti osservazioni di “antinuclei” nei raggi cosmici si allineano con l’esistenza di WIMP, suggerendo che queste particelle potrebbero essere ancora più strane di quanto immaginassimo.
“Le WIMP sono particelle teorizzate ma mai osservate, e potrebbero essere il candidato ideale per la materia oscura”, spiega Pedro De la Torre Luque, fisico dell’Istituto di fisica teorica di Madrid, che interagisce con altre particelle solo attraverso la gravità e la forza di interazione debole, una delle quattro forze fondamentali che agisce solo a distanze molto ravvicinate.
Qualche anno fa, la comunità scientifica ha salutato un “miracolo”: le WIMP sembravano soddisfare tutti i requisiti della materia oscura, e si pensava, una volta “immaginato” cosa potessero essere e come potessero essere rilevate, che entro pochi anni avremmo avuto la prima prova diretta della loro esistenza.
Al contrario, la ricerca degli ultimi anni ha portato all’esclusione di intere classi di queste particelle, sulla base delle loro emissioni peculiari. Oggi, sebbene la loro esistenza non sia stata del tutto esclusa, la gamma di possibili tipi di WIMP si è notevolmente ridotta, insieme alle metodologie per cercare di rilevarle.
“Dei numerosi modelli proposti più motivati, la maggior parte è stata esclusa oggi e solo alcuni di essi sopravvivono oggi”, afferma De la Torre Luque.
Una recente scoperta, tuttavia, sembra aver riaperto il caso. “Queste sono alcune osservazioni dell’esperimento AMS-02”, spiega De la Torre Luque. AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) è un esperimento scientifico a bordo della Stazione Spaziale Internazionale che studia i raggi cosmici. “I responsabili del progetto hanno rivelato di aver rilevato tracce di antinuclei nei raggi cosmici, in particolare antielio, cosa che nessuno si aspettava”.
Per comprendere perché questi antinuclei sono importanti per le WIMP e la materia oscura, bisogna prima capire cos’è l’antimateria.
L’antimateria è una forma di materia con carica elettrica opposta a quella delle particelle di materia “normali”. Se hai seguito le lezioni di fisica a scuola, saprai che la materia ordinaria, quella che ci circonda, è composta da particelle con carica elettrica negativa, come elettroni, carica positiva (protoni) o carica neutra. L’antimateria è composta da particelle “specchio” con cariche opposte (un elettrone “positivo”, il positrone, un protone “negativo”, ecc.). Quando materia e antimateria si incontrano, si annichilano a vicenda, emettendo forti radiazioni gamma.
Nel nostro Universo, composto in modo schiacciante da materia normale, c’è una piccola quantità di antimateria, a volte più vicina di quanto si possa pensare, dato che i positroni sono usati come agenti di contrasto per la PET, l’esame di diagnostica per immagini a cui alcuni di voi potrebbero essersi sottoposti.
Parte di questa antimateria si è formata, secondo gli scienziati, durante il Big Bang , ma una quantità maggiore viene costantemente creata da eventi specifici, il che la rende molto significativa da osservare. “Se vedi la produzione di antiparticelle nel mezzo interstellare, dove ti aspetti molto poco, significa che sta accadendo qualcosa di insolito”, spiega De la Torre Luque. “Ecco perché l’osservazione dell’antielio è stata così emozionante”.
Ciò che produce i nuclei di antielio osservati da AMS-02 potrebbe essere effettivamente WIMP. Secondo la teoria, quando due particelle WIMP si incontrano, in alcuni casi si annichilano, ovvero si distruggono a vicenda, emettendo energia e producendo sia particelle di materia che di antimateria. De la Torre Luque e i suoi colleghi hanno testato alcuni dei modelli WIMP per vedere se sono compatibili con le osservazioni.
Lo studio ha confermato che alcune osservazioni di antielio sono difficili da spiegare con fenomeni astrofisici noti. “Le previsioni teoriche suggerivano che, anche se i raggi cosmici possono produrre antiparticelle attraverso interazioni con il gas nel mezzo interstellare, la quantità di antinuclei, in particolare di antielio, dovrebbe essere estremamente bassa”, spiega De la Torre Luque.
“Ci aspettavamo di rilevare un evento di antielio ogni poche decine di anni, ma i circa dieci eventi di antielio osservati da AMS-02 sono di molti ordini di grandezza superiori alle previsioni basate sulle interazioni standard dei raggi cosmici. Ecco perché questi antinuclei sono un indizio plausibile dell’annientamento delle WIMP”.
Potrebbe però esserci di più. I nuclei di antielio osservati da AMS-02 sono di due isotopi distinti (lo stesso elemento, ma con un numero variabile di neutroni nel nucleo), antielio-3 e antielio-4. L’antielio-4, in particolare, è molto più pesante e anche molto più raro.
Sappiamo che la produzione di nuclei più pesanti diventa sempre più improbabile man mano che la loro massa aumenta, soprattutto attraverso processi naturali che coinvolgono i raggi cosmici, motivo per cui vederne così tanti è un segnale di avvertimento. “Anche nei modelli più ottimistici, i WIMP potrebbero spiegare solo la quantità di antielio-3 rilevata, ma non di antielio-4”, continua De la Torre Luque, e ciò richiederebbe di immaginare una particella (o una classe di particelle) ancora più strana dei WIMP proposti finora o, in gergo tecnico, ancora più “esotica”.
Pertanto, lo studio di De la Torre Luque e dei suoi colleghi indica che la strada verso le WIMP non è ancora chiusa. Sono necessarie molte più osservazioni precise e potremmo dover espandere o adattare il modello teorico, forse introducendo un nuovo settore oscuro nel modello standard delle particelle note fino ad oggi, con nuovi elementi “esotici”.
La ricerca è stata pubblicata sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
