Un’eccessiva quantità di antimateria nelle piogge di particelle cariche che bombardano la Terra, chiamate raggi cosmici, potrebbe svelare i segreti della materia oscura, la “sostanza” più misteriosa dell’Universo.
I raggi cosmici ricchi di antimateria potrebbero svelare i segreti della materia oscura
La materia oscura rappresenta una sfida per gli scienziati perché costituisce circa l’85% della materia nel cosmo, ma è effettivamente invisibile perché non interagisce con la luce. Ciò significa che ogni atomo che compone ogni stella, pianeta, luna, asteroide, cometa, essere umano, libro, tazza da caffè e gatto è superato dalla materia oscura di circa cinque a uno.
Un team di ricercatori guidato da Pedro De la Torre Luque dell’Istituto di fisica teorica di Madrid teorizza che quantità inspiegabili di antimateria , “particelle specchio” con carica opposta a particelle di materia come protoni ed elettroni, nei raggi cosmici potrebbero essere il risultato dell’annientamento delle particelle di materia oscura. Tuttavia, i dettagli di questa connessione potrebbero scagionare il principale sospettato della materia oscura, le WIMP, abbreviazione di “particelle massicce debolmente interagenti”.
“Abbiamo scoperto che la quantità di antinuclei, in particolare di antielio [l’equivalente di antimateria dei nuclei di elio], rilevata non può essere spiegata da processi noti nell’universo ” , ha detto De la Torre Luque a Space.com. “Le antiparticelle non sono comuni nel mezzo interstellare [il gas e la polvere tra le stelle], quindi trovarne un’elevata produzione potrebbe indicare processi che vanno oltre ciò che conosciamo.
“In particolare, se la materia oscura è una particella, ci si aspetta che raramente si annichilisca e produca uguali quantità di particelle e antiparticelle”.
La ricerca del team potrebbe rivelarsi una cattiva notizia per i candidati più ampiamente supportati per la materia oscura, costringendo gli scienziati a rimettersi al tavolo da disegno nel tentativo di comprendere la massa mancante dell’Universo.
Sebbene rimangano tra i principali sospettati per spiegare la materia oscura, le WIMP sono rimaste finora frustrantemente sfuggenti.
“I WIMP sono una famiglia generale di particelle che sono previste da molte estensioni minime del Modello Standard della Fisica delle Particelle , il modello che spiega le particelle che conosciamo e le loro interazioni”, ha detto De la Torre Luque. “Non sono mai stati osservati, ma sono candidati meravigliosi per la materia oscura perché sono neutri e potrebbero essere prodotti nell’universo primordiale da meccanismi simili al processo che ha creato le particelle note”.
La debole interazione delle WIMP con il resto delle particelle del Modello Standard significa che avrebbero potuto eludere ogni possibile rilevamento da parte dei nostri attuali esperimenti. Ecco perché, se costituiscono la materia oscura, non è stata ancora rilevata direttamente.
Le WIMP interagirebbero gravitazionalmente, proprio come fa la materia oscura. Questo è cruciale, perché è l’interazione gravitazionale della materia oscura che ha permesso agli scienziati di dedurre la sua esistenza. Quindi, le WIMP e la materia oscura sono una buona combinazione anche sotto questo aspetto.
Una questione aperta sulla materia oscura è se le particelle che la compongono si annichilino a vicenda. L’annichilazione si riferisce a ciò che accade quando una particella di materia incontra la sua controparte di antimateria e si distruggono a vicenda.
Ad esempio, quando un elettrone incontra la sua antiparticella, un positrone, i due si annichilano e la loro energia costituente viene rilasciata nel cosmo. È stato proposto che la materia oscura si “autoannichilisca” nelle rare occasioni in cui interagisce con se stessa.
“Ci si aspetta che le WIMP si annientino, producendo coppie di particelle e antiparticelle in quantità uguali”, ha detto De la Torre Luque. “Mentre ci aspettiamo che vengano create pochissime quantità di antiparticelle nel mezzo interstellare dai processi che conosciamo, poiché sappiamo che la materia oscura permea tutto il nostro universo e le WIMP sono i migliori candidati che abbiamo per la materia oscura, ci si può aspettare copiose quantità di antiparticelle create nella galassia da queste WIMP”.
Il team ha esaminato le antiparticelle di elio e antielio nei raggi cosmici per cercare di trovare la firma dell’annichilazione WIMP. Come gli atomi di elio “ordinari”, l’antielio può avere tre o quattro neutroni. Ciò significa che si presenta in due isotopi: antielio-3 e antielio-4.
L’ esperimento Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 02 a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) ha recentemente trovato quantità molto simili di antielio-3 e antielio-4 nei raggi cosmici. I raggi cosmici possono creare antiparticelle quando colpiscono e attraversano il mezzo interstellare. Tuttavia, le quantità di antielio rilevate nei raggi cosmici sono molto più elevate di quelle previste dalle stime della produzione di antinuclei da sole particelle di raggi cosmici.
Il team ha indagato se il candidato materia oscura WIMP possa spiegare questa sovrabbondanza di antimateria. Hanno scoperto che l’annientamento WIMP potrebbe spiegare la sovrabbondanza di antielio-3 ma non le quantità misurate di antielio-4.
“Mentre le nostre previsioni rivelano che, con calcoli ottimistici, possiamo spiegare le osservazioni di antielio-3 con WIMP come materia oscura, ci aspettiamo che i WIMP debbano produrre una quantità di antielio-4 molto inferiore. Di un fattore 1.000 in meno, in effetti, perché è più pesante dell’antielio-3”, ha affermato De la Torre Luque.
“Abbiamo scoperto che i WIMP non possono spiegare facilmente queste osservazioni e, per risolvere questo mistero, avremmo bisogno di modelli di materia oscura ancora più esotici”.
Anche se inizialmente potrebbe sembrare una cattiva notizia, la visione delle WIMP come “particelle miracolose” che soddisfano tutti i requisiti della materia oscura ha portato all’abbandono di molti altri modelli di particelle.
Alcune di queste alternative WIMP potrebbero ora essere di nuovo sul tavolo, così come le spiegazioni non particellari, come l’idea che la materia oscura potrebbe essere composta da “buchi neri primordiali” di dimensioni subatomiche creati durante il Big Bang.
“Se questa produzione di antinuclei è il risultato di una particella sconosciuta nella galassia, questa particella dovrebbe avere proprietà molto specifiche per produrre antielio”, ha concluso De la Torre Luque.
“Se scopriamo che questa particella può spiegare tutte le attuali osservazioni sulla materia oscura e che potrebbe essere sfuggita a tutte le attuali indagini sulle nuove particelle negli acceleratori di particelle , questa sarà una grande candidata per la materia oscura e la rilevazione dell’antielio potrebbe essere il nostro unico modo per studiarla”.
La ricerca del team è stata sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
