Viaggio nella mente di un fisico che cerca la materia oscura

L'85% della materia nel nostro Universo è invisibile. Ma cosa è? Ecco alcune delle ipotesi proposte per risolvere il mistero

Foto di Gerd Altmann da Pixabay

La scorsa settimana avevamo spiegato come molte osservazioni che abbiamo del nostro Universo sono incomprensibili a meno di ipotizzare la presenza di una ingente quantità di materia invisibile ai nostri strumenti (leggi qui). Queste osservazioni includono la velocità di rotazione delle galassie, la misura della densità totale della materia dell’Universo, e altre che non abbiamo menzionato.

L’articolo di oggi vuole essere un piccolo “viaggio” nella testa di un fisico teorico che cerca di capire cosa sia questa materia che sembra proprio esserci ma che non vediamo. Un viaggio immaginario che racchiude e semplifica gli sforzi di team di ricerca e collaborazioni internazionali. Solitamente il percorso mentale per raggiungere un’ipotesi prosegue a steps: si parte dalle ipotesi più “semplici” che cercano di spiegare un fenomeno nuovo con la fisica che già conosciamo, e, se questo non è possibile, si introducono ipotesi sempre meno “conservative” e spesso più complesse, con modifiche alle teorie esistenti, nuove idee o nuovi concetti fisici.

Eccoci allora nella mente del nostro fisico teorico che sente la notizia: “l’85% della materia nel nostro universo è invisibile, ma interagisce con la forza gravitazionale”. La prima ipotesi, la più semplice da verificare senza dover introdurre quella che in gergo chiamiamo “nuova fisica” è che la materia oscura sia composta da particelle che già conosciamo. Allora perché non la vediamo? Per rispondere bisogna capire cosa vuole dire che “vediamo” la materia nell’Universo. Gli strumenti che abbiamo, chiamati generalmente telescopi, sono strumenti sensibili alla radiazione elettromagnetica, cioè alla luce. In altre parole, sono occhi molto sensibili e in grado di vedere anche lunghezze d’onda che l’occhio umano non può percepire: lunghezze d’onda ultraviolette (come i raggi x) e infrarosse (come le onde radio). La materia che vediamo con questi potenti telescopi è quindi tutta quella che interagisce con la forza elettromagnetica, la quale però non è l’unica forza in natura: la forza forte, la forza debole e la forza gravitazionale sono le altre tre interazioni che conosciamo. Sembra che la materia oscura interagisca solo con la forza gravitazionale e, forse, quella debole. Inoltre deve essere materia composta da particelle stabili, che non decadono in fretta. Se guardiamo alle particelle che conosciamo (lo faremo più in dettaglio nel prossimo articolo), le uniche particelle con queste caratteristiche sono i neutrini. Fantastico! Ecco la prima ipotesi: la materia oscura altro non è che tantissimi neutrini. Parlandone con altri fisici, questi ci fanno però notare che, data la loro massa molto piccola, quasi nulla, e la conseguente velocità prossima a quella della luce, i neutrini non possono spiegare alcuni dei dati sperimentali. Accidenti! Non possono essere neutrini, o almeno non solo neutrini. Per spiegare tutti questi dati serve qualcosa di nuovo, qualche nuova idea. Ma il nostro fisico teorico è uno prudente, uno a cui piace andare per gradi di astrazione. Molte volte negli ultimi secoli il nostro elenco di particelle fondamentali si è arricchito a mano a mano che venivano ipotizzate teoricamente e poi scoperte sperimentalmente. L’ultima particella ad unirsi è stato il famoso bosone di Higgs, di cui avremo modo di parlare, osservato sperimentalmente al CERN otto anni fa. Un’ipotesi ragionevole è quindi che esista un nuovo tipo di particella subatomica, ancora non osservata sperimentalmente, con una massa non troppo piccola, e immune ai campi elettromagnetici e alla forza forte.

Questa ipotesi è, allo stato attuale, la più popolare. Queste nuove ipotetiche particelle sono chiamate WIMPs, Weakly Interactive Massive Particles o Particelle massive debolmente interagenti. La grande sfida è capire quali potrebbero essere le loro proprietà così a costruire esperimenti in grado di osservarle o in grado di darci utili informazioni per raffinare le nostre teorie. Insomma, come sempre in fisica, l’interazione tra fisici teorici e sperimentali, tra nuove soluzioni matematiche e soluzioni ingegneristiche futuristiche, risulta fondamentale per la comprensione dei segreti della natura.

Ma torniamo nella mente del nostro fisico teorico. L’idea di un nuovo tipo di particella ha avuto il suo successo tra la comunità scientifica. I primi esperimenti per cercare di osservarla partono (come sono in effetti partiti negli ultimi anni), ma cominciano anche ad arrivare i primi risultati negativi. Certo, forse gli strumenti non sono abbastanza sensibili, e forse ci servono nuove idee sperimentali per riuscire a incrociare queste particelle così fuggevoli. Però, durante i nostri studi e lo sviluppo della nostra carriera, abbiamo capito una cosa. Abbiamo capito che a volte per risolvere un problema serve un cambio di prospettiva, thinking out of the box come direbbero in Inghilterra. Forse la soluzione non è una nuova particella. Torniamo sul problema: un qualcosa che non emette radiazione, quindi nero, che vediamo solo guardando gli effetti gravitazionali sulla materia ordinaria ci ricorda qualcosa. Qualcosa di cui abbiamo parlato anche in una miniserie qualche settimana fa: i buchi neri (leggi qui). La materia oscura potrebbe quindi in realtà essere un ammasso di buchi neri. Aspetta però, devono essere molto piccoli, o la materia sarebbe risucchiata al loro interno. Non possono quindi essere buchi neri formati dal collasso stellare, né il risultato di un crash stellare, i due meccanismi fondamentali di formazione di cui abbiamo parlato su Spazio Curvo (leggi qui). In quell’articolo però avevamo anche accennato ad un terzo meccanismo: i buchi neri primordiali. Essi sono ipotetici buchi neri che si sarebbero formati quando il nostro Universo era molto caldo, subito dopo la sua nascita. Possono essere molto piccoli, con masse dell’ordine dei centesimi di milligrammi, e potrebbero spiegare quelle anomalie gravitazionali che chiamamo materia oscura. O forse non sono buchi neri primordiali, ma stelle di neutroni che non possiamo vedere, o forse qualche altro agglomerato di materia sconosciuto. O forse basta modificare poco poco la teoria della relatività generale e potrebbe non essere necessario ipotizzare nuova materia. Forse, invece, è l’interazione con altre dimensioni o un effetto di gravità quantistica, o forse...

Stop, stop. Think out of the box, va bene, ma senza esagerare, penserete. Molte di queste ipotesi qui accennate sono state veramente proposte, supportate da calcoli matematici, simulazioni e previsioni. Alcune risultano più plausibili di altre, alcune vengono piano piano escluse da nuove osservazioni, altre, molte, rimangono compatibili con i dati che abbiamo ma nessuna è ancora stata confermata direttamente (vedi figura qui sopra). Questa pletora di ipotesi formulate dovrebbe dare un’idea di quanto sia importante riuscire a risolvere questo mistero. La sua soluzione, che consisterà nella conferma sperimentale di una di queste ipotesi, può dare informazioni importanti su altre domande fondamentali della fisica moderna, dalla completezza della nostra comprensione della struttura subatomica alla gravità quantistica e la teoria del tutto. Si intende, la soluzione potrebbe anche non essere unica. Forse quell’85% di materia invisibile nell’Universo è composta per un po’ di WIMPs, per un po’ da buchi neri, per un po’ da stringhe e neutrini. Non ci resta che pensare nuovi esperimenti che possano restringere le possibilità e guidare il nostro fisico teorico e tutta la comunità scientifica verso la comprensione del mistero della materia oscura.

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Commenti

tremendo2

Dom, 17/05/2020 - 15:30

più volte ho chiesto che i fisici dicessero cosa volesse dire per loro: "materia". Non ci sono riusciti. In questo articolo introducono un nuovo aggettivo: "invisibile" che viene definito come ciò che non si può rilevare con uno strumento. E' evidente che se si potesse misurare, diventerebbe "visibile" e non più "invisibile". Nulla quindi vieta di dire che invisibile non vuol dire inesistente, ma semplicemente ipotizzato. Anche l'anima è invisibile, eppure per molte persone esiste. I problemi nascono quando la scienza pretende di dare una descrizione esatta dei fenomeni. Sono soltanto tentativi che a volte pongono più problemi di quanti ne risolvano, come è successo con la teoria delle stringhe che sembrava risolvere tutto. La scienza procede per tentativi, e nessuna teoria può essere ritenuta definitiva, semplicemente perché ogni teoria esiste SOLO nella nostra mente. La scienza è come la tela di Penelope: fa e disfa continuamente.

steacanessa

Dom, 17/05/2020 - 16:11

In sostanza è come il corona virus, tutti ne parlano e nessuno lo conosce.

investigator13

Dom, 17/05/2020 - 16:13

l'uomo non la sapienza di Dio, che volete sfrugugliare lo spazio.

investigator13

Dom, 17/05/2020 - 16:15

l'uomo non possiede la sapienza di Dio, che volete sfrugugliare lo spazio.

Newfrank

Dom, 17/05/2020 - 16:36

i fisici non sanno cosa sia la materia in senso univoco...........infatti è un pool di particelle e non di un sol tipo........la speculazione teorica è un grande crivello, un grande tormento della mente, ma è proprio così che si teorizza il nuovo e si giunge a conclusioni valide.......e ci vuole tempo...........la misurazione non ha nulla a che fare oggettivamente con 'visibile' o 'invisibile'........il nostro occhio umano è soggettivo e limitato.........per esempio le radiazioni esistono eccome e sono misurabili ma non visibili se non a mezzo di apposita strumentazione..........tra tanti commenti stupidi, uno serio........grazie

cir

Dom, 17/05/2020 - 16:39

soldi e cibo sprecato per mantenere certi "studiosi" , sarebbero piu' utili a raccogliere pomodori .

Ritratto di pipporm

pipporm

Dom, 17/05/2020 - 17:11

Zappa e scarponi

MicheleCaserta

Lun, 18/05/2020 - 10:30

Ma perchè si permette a chiunque di commentare articoli scientifici senza che ne abbia non solo le competenze ma nemmeno quel minimo di riguardo che si deve alla scienza. Vorrei avvisare i lettori che i concetti di fisica teorica si comprendono con decenni di studio approfondito e la sua comprensione non ha niente di semplice, intuitivo o di democratico. Non permettiamo che la scienza possa essere oggetto di opinioni. La scienza può essere solo confutata con il metodo scientifico e non da opinioni di incompetenti. La mania di esprimere opinioni a vanvera su tutto si rispecchia nella classe politica disastrosa che abbiamo, che si vanta della propria ignoranza.

Ritratto di Acquachiara

Acquachiara

Lun, 18/05/2020 - 10:43

Mah. Vediamo: tanti matti perdigiorno si sono persi in sogni strambi... che la terra che tutti dicevano piatta era invece era rotonda, che non stava ferma ma si muoveva, che c'erano cose che non si vedevano eppure c'erano... Certo, la terra va zappata e i pomodori raccolti; ma se non fosse stato per quei matti perdigiorno persi in fantasie strampalate, forse oggi staremmo ancora a squittire appesi per la coda ai rami degli alberi. Meglio, peggio? non lo so; anche le scimmie selvatiche avranno i loro problemi.

ondalunga

Lun, 18/05/2020 - 10:51

@MecheleCaserta: concordo con lei e tale domanda me la son posta spesso. Noto ad esempio che Tremendo2 ogni lunedì ci continua a menare le tolle con le "categorie mentali"...a lui tale frase piace tanto forse si sente intelligente ed erudito con sta beceraggine, che spenga il PC ed il telefono in fondo funzionano in quanto le teorie alla base del loro funzionamento son solo "categorie mentali" di qualche pazzo...

Ritratto di diplomatico

diplomatico

Lun, 18/05/2020 - 12:17

Gli sproloqui di chi esorta a non "sfrugugliare"(?) lo spazio, oppure a zappare e raccogliere ortaggi, sono la misura della totale inconsapevolezza della propria ignoranza e insipienza. Se i fisici non si fossero presi l'onere di dare una veste logica e matematica ai fenomeni naturali, con l'intento di comprenderne le cause e predirne le conseguenze, la massima conquista dell'umanità a quest'ora sarebbe la clava (la quale, a mio avviso, è ancora ben presente nell'armadio dei tuttologi di cui sopra). Se la libertà di parola è un diritto, la sensatezza di ciò che si afferma è un DOVERE.

Newfrank

Lun, 18/05/2020 - 12:26

caserta.......................è permesso scrivere commenti e opinioni a tutti senza chiedere permessi scritti o altro.........proprio come è possibile scrivere il suo commento...........esso denunzia chiaramente che lei ha letto l'articolo per mera curiosità senza competenze............quali studi ha fatto ?...................Non permettiamo che la scienza possa essere oggetto di opinioni............ma chi è lei che permette e non permette..........grazie a Dio la scienza è patrimonio di tutti ed è quella che realizza il massimo della demorazia del sapere............si astenga prego.................grazie infinite

Newfrank

Lun, 18/05/2020 - 12:29

è fantastico il video animato inserito nell'articolo..........quelli che umilmente si pongono nella posizione di ascolto ne dovrebbero fare tesoro per l'immediata inuizione che produce................andatelo a vedere

Newfrank

Lun, 18/05/2020 - 12:31

comprendo le opinioni negative di chi non capisce gli articoli del genere............ma bisogna farsi una ragione anche della ignoranza sugli argomenti........e non disapprovare ciò che non si comprende..........nondum matura est

investigator13

Lun, 18/05/2020 - 13:15

la materia oscura è ciò che il calcolo matematico non è ancora in grado di farla emergere. Se non si trova la formula tale rimane. perciò la formula deve essere concentrata tutta nella ricerca della trasformazione della materia in energia che formi massa, quindi corpo, in questo modo la materia oscura viene evidenziata, quindi c'è e si vede.

Newfrank

Lun, 18/05/2020 - 14:00

investigator..............il calcolo matematico fa emergere la materia oscura...........ma dove lo ha letto..................così la materia oscura viene evidenziata e c'è e si vede............questa me la voglio proprio segnare...............boak

tremendo2

Lun, 18/05/2020 - 15:26

@Caserta, ricorda che tempo fa c'era un articolo sulla velocità della luce? Io mettevo in serio dubbio quel vuoto nel quale la luce si propaga. E guardi un po, ora si dice che quel vuoto non è poi così tanto vuoto! Seconda cosa: io non ho alle spalle decenni di studio, ma qualcosina in più, infatti mi vergognerei di scrivere quello che ha scritto lei. Terzo: la scienza non può dire quello che vuole. Le regole della logica valgono anche per lei. Ma forse lei la logica non l'ha MAI studiata.

tremendo2

Lun, 18/05/2020 - 15:30

@ondalunga. Le da fastidio il discorso delle "categorie mentali". Legga Platone, Kant, Piaget, ecc. poi vedrà se stare dalla parte dell'intelligenza o della stupidità.

tremendo2

Lun, 18/05/2020 - 16:05

a me piace molto Socrate perché, facendo finta di essere stupido, faceva domande a cui gli altri non erano in grado di rispondere, anzi non le capivano neppure. Allora chiedo ai vari ondalunga: che differenza c'è nelle due operazioni che la nostra mente fa quando dice per esempio "Mario e Carlo", oppure "Mario e Carlo"? Eppure su questo si basa la logica dei computer di cui voi parlate, ma non sapete come funzionano.

investigator13

Mar, 19/05/2020 - 13:06

@newfrank la foto che accompagna il titolo dell' articolo fa bella mostra di calcoli matematici, in quanto le scoperte scientifiche sono un iter complesso assai complesso a volte, di calcoli matematici per formulare le teorie del fisico del momento. Quindi non è poi cosi campato in aria che occorre il calcolo matematico, forse detto poco consono, visto la materia di cui parliamo, per arrivare a formule matematiche, che confermino ciò che è ipotizzato dal fisico nel contenitore dello spazio, di cui fa parte la materia oscura. La materia oscura manca del processo matematico per arrivare ad affermare la sua esistenza, al momento rimane solo ipoteca.

tremendo2

Gio, 21/05/2020 - 10:14

correggo l'ultimo post: "Mario e Carlo", oppure "Mario o Carlo"