Materia oscura di nuovo tipo – Prima parte: WIMP

Nessuno sa di che cosa sia fatta la materia oscura. Nessuno l’ha mai osservata.
Eppure c’è. Così dicono gli scienziati.

L’esistenza della materia oscura è stata postulata alcuni decenni fa per rendere conto della dinamica delle galassie, e in particolare della velocità delle loro porzioni più periferiche.
La sua esistenza spiegherebbe come si sono formati gli ammassi e i super-ammassi di galassie dopo il Big Bang.

Ancora un altro post sulla materia oscura? No! – brontola il mio cane tra l’annoiato e il disinteressato. (alle volte questo cane mi è antipatico) – Se non se ne sa nulla perché vuoi parlarne?

Non è esatto dire che non sappiamo nulla – rispondo –Per esempio è stata ipotizzata una materia oscura di nuovo tipo.

Perché quanti tipi di materia oscura ci sono? – mi domanda prontamente il mio cane.

Ecco! Hai visto che qualcosa non sai! – rispondo con ironia dopo questo serrato botta e risposta– quindi stammi a sentire, che ti spiego tutto.

Lunedì 17 marzo c’è stato l’annuncio della prima osservazione delle onde gravitazionali emesse nel periodo inflattivo dell’espansione dell’Universo. Queste nuove osservazioni hanno importantissime conseguenze sulla teoria del Big Bang nella quale si prevede che la materia che meglio conosciamo, la cosiddetta materia ordinaria rappresenti appena il 4,9 % dell’Universo.
Secondo le stime, la materia oscura sarebbe quattro volte più abbondante di quella ordinaria, e costituirebbe tra il 25 e il 27 per cento dell’universo.
All’appello mancherebbe comunque un bel 70%, ma di questo parleremo un’altra volta.

Uhm! (è il commento del mio cane)

Come dicevo, nessuno sa di che cosa sia fatta. Si pensa che la materia oscura sia composta da particelle che non assorbono, non emettono e non riflettono la radiazione, e che quindi non possono essere rivelate studiando la radiazione elettromagnetica. E’ per questo motivo che è chiamata “oscura”.
La materia oscura sarebbe materia, quindi, che non può essere osservata direttamente.

Gli astronomi sospettano che la maggior parte della materia oscura non sia formata dall’ordinaria materia “barionica” ma da qualche forma di materia non ordinaria.

Cos’è la materia ordinaria barionica? – anticipo la domanda del mio attento cane
E’ la materia ordinaria, composta da protoni e neutroni.
I barioni sono un gruppo di particelle subatomiche.
I barioni fanno parte della famiglia dei quark (costituiti da tre quark) e soggette perciò alla forza nucleare forte che regola le interazioni fra particelle subnucleari e tiene unita la materia (quella composta da materia del tutto simile a quella che costituisce le stelle, i pianeti, la polvere interstellare, ecc.)

Cos’è la materia oscura non barionica, starai pensando?
La materia oscura non barionica è  materia del tutto simile a quella che costituisce le stelle, i pianeti, la polvere interstellare, ecc., ma che non emette radiazioni.
Possiamo definirla come materia “esotica”. E per esotico in fisica spesso si indicano particelle, campi o più in generale condizioni e oggetti che non sono previste dalla teoria comunemente accettata nel campo della fisica a cui si fa riferimento.

Ebbene, la novità di cui ti parlavo sta nel fatto che tra le particelle candidate a costituire la materia oscura non barionica vi sono le WIMP (weakly interacting massive particle).

Cosa sono le “wimp”?
Sono (dovrebbero essere) particelle dotate di massa debolmente interagenti con se stesse e con il resto della materia. Una piccola percentuale della materia oscura, intorno al 5 per cento, che interagirebbe , quindi, con se stessa, contrariamente a quanto ipotizzato finora.

Ma per capire come stanno veramente le cose faccio un passo indietro perché bisogna considerare l’evoluzione dell’universo.

Nei primissimi istanti dopo il big Bang la temperatura era così elevata che la materia era disgregata in forma di particelle elementari subatomiche.
Al diminuire della temperatura, con il tempo le particelle si “coagulavano” in protoni e neutroni, dando luogo alla materia ordinaria. I protoni ed i neutroni interagivano tra loro tramite processi di fusione, originando, tra l’altro, nuclei di deuterio, isotopo dell’idrogeno (protone + neutrone); questi ultimi, a loro volta, si fondevano in nuclei di elio ordinario (2 protoni + 2 neutroni).

Dopo i primi tre minuti la temperatura e la densità dell’universo erano diminuite al punto da non rendere più possibili ulteriori reazioni nucleari. A questo punto l’universo era composto essenzialmente da idrogeno (75%) ed elio (25%) e da pochi altri elementi presenti in tracce bassissime.
Tutti gli elementi pesanti che conosciamo vennero sintetizzati successivamente all’interno delle stelle, e rimessi in circolazione dalle esplosioni stellari note come supernovae.

In pratica la evoluzione dell’Universo è passata attraverso una fase calda ed una fredda.

Al pari della materia ordinaria gli astrofisici considerano due possibilità riguardo a tale materia oscura.
Una materia oscura calda, una materia oscura fredda.

Una materia oscura calda.
Durante il Big Bang sono state create enormi quantità di neutrini sparsi nell’universo.
Il neutrino è una particella subatomica elementare di massa piccolissima (massa da 100.000 a 1 milione di volte inferiore a quella dell’elettrone,) e carica elettrica zero. Interagisce solo con la forza nucleare debole e la forza gravitazionale, non risente né dell’interazione nucleare forte né della interazione elettromagnetica. Ha velocità prossima a quella della luce.

La caratteristica che il neutrino abbia massa, seppur estremamente bassa, lo rende candidato a rappresentare almeno una quota della materia oscura e potrebbe in parte spiegare l’eccesso di massa degli ammassi e super-ammassi di galassie, ma non quello delle singole galassie, perché esso si muove a velocità prossima a quella della luce, sfuggendo prima o poi all’attrazione gravitazionale ed uscendo da esse.

Ed allora? – interviene il mio cane che ha ascoltato finora in rispettoso silenzio (strano).

Una materia oscura fredda.
Per “fredda”– continuo nella mi spiegazione terra terra – si intende la materia oscura costituita da particelle che si sono disaccoppiate dall’equilibrio termico dell’Universo primordiale a regime non relativistico (particelle relativistiche, come ad esempio i neutrini, potrebbero costituire invece la materia oscura “calda” come abbiamo visto).

Le caratteristiche che devono avere le particelle candidate ad essere materia oscura fredda sono le seguenti:
– Nessuna carica elettrica e nessuna carica di colore, (proprietà dei quark, che spiegherò in altra occasione) altrimenti interagirebbero anche in maniera elettromagnetica e forte, e di conseguenza non sarebbero “oscure
– Devono essere massive
– Interagenti con intensità e sezioni d’urto paragonabili a quella dell’interazione debole.

Ebbene, le attuali teorie sulle particelle elementari prevedono che, nelle condizioni presenti nei primi istanti del Big Bang, si formino particelle “esotiche”genericamente denominate WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) che corrisponderebbero alle caratteristiche richieste.

Contrariamente dei neutrini, la reale esistenza di queste particelle non è stata osservata né ancora verificata nei laboratori di fisica.

Non solo.
Le WIMP non fanno riferimento ad una precisa teoria delle interazioni fondamentali. Sono necessarie motivazioni fisiche più profonde per spiegare l’esistenza di particelle con tali caratteristiche.
Non ci sono particelle WIMP nel Modello Standard della fisica delle particelle.

A questo punto caro Bleff- dico al mio cane – provo a fare una sintesi.

Primo scenario.
Nel quadro della materia oscura calda, gli elementi di piccola massa non sono inizialmente in grado di collassare a causa dello “sciamare” dei neutrini in ogni direzione. In questo caso si sarebbero formate dapprima le grandi strutture, quali gli ammassi di galassie. Solo successivamente queste si sarebbero “frammentate” in oggetti più piccoli come le galassie.

Questo schema viene detto top-down (dall’alto in basso). La materia ordinaria (protoni e neutroni) che compone le galassie che osserviamo è poco abbondante ed esercita una gravità trascurabile. Essa si aggrega non a causa della propria gravità, ma a causa della formazione delle strutture di materia scura verso cui è attratta.

Secondo scenario.
Nello scenario della materia oscura fredda, invece, i WIMPS, più lenti e pesanti, formano dapprima strutture relativamente piccole all’interno delle quali viene attratta la materia ordinaria che dà luogo a piccoli ammassi stellari o galassie nane.
Solo successivamente, in un processo detto ‘merging’ queste strutture più piccole si attraggono formando galassie ed ammassi di galassie.
Merging di galassie vengono effettivamente osservati, ma non si sa se si tratta di episodi isolati o di un processo generale che sta alla base della formazione delle galassie più grandi.

Questo schema di formazione delle strutture viene detto bottom-up (dal basso in alto).
Pertanto gli astronomi sono portati a preferire l’ipotesi di una materia oscura fredda, nonostante quest’ultima, al contrario dei neutrini, sia solo ipotizzata dalle attuali teorie sulle particelle elementari e non sia stata ancora osservata. I futuri sviluppi nello studio dell’infinitamente piccolo saranno illuminanti per la comprensione dell’infinitamente grande.

Fine prima parte

Ed ora caro mio fedele amico a quattro zampe spero che apprezzerai questo sforzo di ricerca nel mettere assieme e spiegarti una materia così poco conosciuta.

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