Il 95% dell’universo è invisibile: la sfida della materia oscura tra fisica e tecnologia

L’umanità ha compiuto enormi progressi nella comprensione dell’universo, ma ciò che conosciamo rappresenta solo una piccola parte del quadro complessivo; le stime attuali indicano che circa il 95% del cosmo è composto da materia oscura ed energia oscura, mentre solo il 5% è costituito dalla materia “ordinaria” che possiamo osservare direttamente.

Capire cosa sia questo enorme “resto” invisibile è una delle sfide scientifiche più importanti del nostro tempo. Ed è qui che entrano in gioco fisica delle particelle, sensori quantistici e tecnologie criogeniche di nuova generazione.

Toccare la coda dell’elefante

Il fisico sperimentale Rupak Mahapatra, ricercatore alla Texas A&M University, descrive così la nostra attuale comprensione dell’universo: “È come cercare di descrivere un elefante toccandone solo la coda. Intuiamo qualcosa di enorme e complesso, ma ne percepiamo solo una minuscola parte”.

Mahapatra lavora allo sviluppo di rivelatori a semiconduttore avanzati, equipaggiati con sensori quantistici criogenici, capaci di individuare segnali estremamente deboli. Tecnologie di questo tipo sono fondamentali per studiare particelle che interagiscono con la materia ordinaria in modo rarissimo.

Il suo lavoro è stato recentemente pubblicato sulla rivista scientifica Applied Physics Letters.

Materia oscura ed energia oscura: cosa sappiamo davvero?

Il nome stesso “oscuro” indica quanto queste componenti dell’universo siano ancora poco comprese.

• La materia oscura costituisce la maggior parte della massa di galassie e ammassi di galassie. Non emette né riflette luce, ma esercita un’influenza gravitazionale fondamentale: senza di essa, le strutture cosmiche che osserviamo non potrebbero esistere.
• L’energia oscura, invece, è responsabile dell’espansione accelerata dell’universo, una scoperta relativamente recente che ha rivoluzionato la cosmologia moderna.

In termini quantitativi, l’energia oscura rappresenta circa il 68% del contenuto energetico dell’universo, mentre la materia oscura contribuisce per circa il 27%. Entrambe non sono osservabili direttamente: gli scienziati possono studiarle solo attraverso i loro effetti gravitazionali.

Rivelare segnali quasi impossibili da vedere

Il problema principale nello studio della materia oscura è la sua interazione estremamente debole con la materia ordinaria. In pratica, una particella di materia oscura potrebbe attraversare la Terra senza lasciare alcuna traccia.

Per questo i rivelatori devono essere incredibilmente sensibili.

“Stiamo cercando eventi che potrebbero verificarsi una volta all’anno, o addirittura una volta ogni dieci anni”, spiega Mahapatra.

Il suo gruppo partecipa a esperimenti internazionali come TESSERACT, che utilizzano sensori raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto per ridurre il rumore di fondo e amplificare segnali prima indistinguibili.

Secondo Mahapatra, il vero progresso nasce dall’innovazione tecnologica: trovare nuovi modi per estrarre informazione da ciò che prima era solo rumore.

Decenni di ricerca e una lezione chiave: nessuna scorciatoia

Mahapatra lavora da oltre 25 anni anche all’esperimento SuperCDMS, uno dei più sensibili al mondo nella ricerca diretta della materia oscura. Nel 2014, il team ha introdotto una tecnica innovativa — la rivelazione calorimetrica a ionizzazione assistita da tensione — che ha permesso di studiare WIMP a bassa massa, una delle principali ipotesi teoriche per spiegare la materia oscura.

Nel 2022, un altro studio ha messo a confronto diversi approcci alla ricerca dei WIMP:

• rivelazione diretta,
• rivelazione indiretta,
• esperimenti con acceleratori di particelle.

La conclusione è chiara: nessun singolo esperimento può bastare.

“Serve una sinergia tra metodi diversi per ricostruire il quadro completo”, sottolinea Mahapatra.

Perché la materia oscura riguarda anche il futuro della tecnologia

Comprendere la materia oscura non è solo una questione teorica. Ogni salto in avanti richiede sensori più precisi, elettronica più sofisticata e nuove tecniche di raffreddamento e misura. Storicamente, tecnologie nate per la ricerca fondamentale hanno poi trovato applicazioni impensabili in altri ambiti.

“Se riusciremo a rilevare direttamente la materia oscura, apriremo un nuovo capitolo della fisica”, afferma Mahapatra. “E potremmo sviluppare tecnologie che oggi non siamo nemmeno in grado di immaginare”.

Cosa sono i WIMP (in breve)

I WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) sono tra i candidati più studiati per spiegare la materia oscura.

• Perché contano: potrebbero spiegare la massa “mancante” dell’universo.
• Come si cercano: con rivelatori ultra-sensibili raffreddati a temperature criogeniche.
• La difficoltà: un singolo evento potrebbe richiedere anni di osservazioni per essere identificato con certezza.