sabato 29 dicembre 2012

Materia scura, siamo sulla ‘soglia’ di una scoperta?


Sono passati più di 2000 anni dai tempi in cui l’uomo si chiedeva di cosa siamo fatti, di che cosa è fatto l’Universo che circonda. Abbiamo pensato che tutto ciò che brillasse intorno a noi, sia sulla Terra che nello spazio, costituisse tutta la materia presente nell’Universo. Ma gli scienziati hanno scoperto che non è tutto ciò che brilla nella luce che caratterizza l’Universo piuttosto ciò che si nasconde nell’oscurità. C’è quindi un problema: il contenuto di tutta la materia visibile nell’Universo è solo il 4-5% circa. Dov’è tutto il resto? Si ritiene che la cosiddetta materia scura contribuisca a circa il 23% del contenuto materia-energia dell’Universo, anche se gli scienziati non hanno idea di che cosa si tratti dato che non è possibile osservarla direttamente (per questo motivo è stata definita con l’aggettivo “scura”). Dunque, come possiamo rivelarla e, se un giorno saremo in grado di farlo, che tipo di informazione ricaveremo sulla natura dell’Universo?

L’Istituto Kavli per la Cosmologia presso l’Università di Chicago e l’Accademia Nazionale per le Scienze hanno organizzato di recente un meeting allo scopo di far incontrare cosmologi, fisici delle particelle e astrofisici, unificando, per così dire, tre campi della ricerca per tentare di risolvere questo enigma della cosmologia moderna. Il meeting, tenutosi verso la metà di Ottobre presso il Centro Beckman della National Academy of Sciences a Irvine,in California, aveva per titolo “Dark Matter Universe: On the Threshold of Discovery”. Lo scopo del congresso era quello di far luce sulle ultime teorie e sui modelli che tentano di spiegare la natura e l’origine della materia scura, di discutere quanto siamo vicini ad una eventuale scoperta e stimolare varie tematiche e collaborazioni internazionali allo scopo di risolvere questo enigma astrofisico. Alla conclusione del meeting, l’Istituto Kavli ha incontrato tre scienziati che sono stati tra i leader e gli organizzatori del congresso: Michael Turner, Edward Kolb e Maria Spiropulu. Qui di seguito la trascrizione di alcune domande, con le relative risposte, che l’Istituto Kavli ha posto ai tre scienziati. 

Istituto Kavli: Questo congresso ha riunito cosmologi, astronomi osservativi e fisici delle particelle. Come mai questa varietà di ricercatori e perché oggi?
Michael Turner: Cercare di comprendere cos’è la materia scura è diventato un problema che astrofisici, cosmologi e fisici delle particelle vogliono tutti risolvere, dato che essa giuoca un ruolo fondamentale per capire come funziona il nostro Universo. Oggi abbiamo a disposizione una ipotesi che si basa sull’esistenza di alcune particelle, denominate WIMPs. Queste particelle, che non irradiano la luce e che interagiscono raramente con la materia ordinaria, si pensa siano le migliori particelle candidate come costituenti della materia scura. Dopo decenni di tentativi, finalmente abbiamo tre modi per verificare se tale ipotesi sia vera o falsa.
Edward Kolb: Il titolo del congresso è proprio la risposta alla Vostra domanda e forse tra uno o due anni saremo vicini alla soglia della scoperta. Dunque, è importante sentire i pareri e le opinioni di vari ricercatori che appartengono a discipline diverse.

Istituto Kavli: Dunque, la materia scura è un puzzle che tutti vogliono risolvere.
Michael Turner: Dieci anni fa, non credo che avreste trovato astronomi, cosmologi e fisici delle particelle riuniti insieme per discutere il problema della materia scura. Oggi le cose sono cambiate. E tutti ritengono che il mistero possa essere risolto in tempi brevi. E’ assolutamente interessante ascoltare i fisici delle particelle mentre spiegano le eventuali evidenze dell’esistenza della materia scura e viceversa gli astronomi quando spiegano come le particelle WIMPs potrebbero rappresentare la materia scura. Una cosa è certa: durante questo congresso nessuno ha detto di negare l’evidenza o tantomeno di ridicolizzare il fatto che esista una nuova forma di materia a noi sconosciuta.
Maria Spiropulu: Una cosa importante che è saltata fuori da questo meeting è che i ricercatori delle varie discipline cominciano ad utilizzare un nuovo linguaggio che nonostante non sia ancora assodato viene comunque compreso dalla comunità scientifica. Questo è importante perché cosmologi e fisici delle particelle hanno a lungo dibattuto sul fatto di collegare, in qualche modo, l’Universo infinitamente grande con quello infinitamente piccolo.
Michael Turner: Vorrei sottolineare un punto: in realtà, il tentativo di far convergere il mondo delle particelle con quello delle galassie ebbe inizio negli anni ’80. Tutto cominciò con il problema dell’asimmetria barionica, mentre i problemi legati ai monopoli magnetici e alla materia scura ebbero un minor peso. I fisici delle particelle furono d’accordo nell’ammettere che la materia scura rappresentasse un problema reale ma fu detto anche che la soluzione dovesse arrivare dall’astrofisica.  

Istituto Kavli: Perché è importante la questione della materia scura?
Edward Kolb: Come cosmologo, posso dire che uno dei punti chiave è quello di capire di che cosa è fatto l’Universo. Con buona approssimazione possiamo dire che le galassie e le altre strutture che ammiriamo oggi sono fatti essenzialmente di materia scura. Siamo arrivati a questa conclusione dopo una serie di forti evidenze per cui ora dobbiamo capire di che cosa stiamo parlando. L’emozione che stiamo tutti vivendo è che siamo vicini ad una risposta e, con ogni probabilità, sarà uno studente o un ricercatore che, dopo aver analizzato i propri dati nel corso dei prossimi 10 anni, scoprirà definitivamente di che cosa sono fatte principalmente le galassie, un fatto che accadrà solo una volta nella storia degli esseri umani.
Michael Turner: Il problema della materia scura ha le sue origini a partire dagli anni ’30, quando l’astronomo svizzero Fritz Zwicky trovò che non c’erano abbastanza stelle negli ammassi di galassie per mantenerle insieme sotto l’azione della gravità. Poi, lentamente si ebbero altre osservazioni e contributi, come ad esempio gli studi sulle curve di rotazione delle galassie a spirale eseguite da Vera Rubin negli anni ’70, fino ad arrivare ai nostri giorni per cui oggi possiamo affermare che la percentuale di materia scura ammonta al 23%, mentre la materia ordinaria rappresenta solo il 4,5% e tutto il resto costituisce un mistero ancora più grande (l’energia scura). Niente in cosmologia ha senso senza considerare la materia scura. Essa è stata necessaria per formare le galassie, le stelle e le altre strutture presenti nell’Universo. Quindi essa è assolutamente fondamentale per la cosmologia. Inoltre sappiamo che nessuna delle particelle note costituisce la materia scura, perciò deve esistere in natura una nuova particella.
Maria Spiropulu: Voglio dire una cosa. Il fenomeno associato alla materia scura è stato scoperto grazie alle osservazioni. Sappiamo che le galassie sono sistemi legati che non si disperdono nello spazio e vale lo stesso discorso per gli ammassi di galassie. Quindi abbiamo delle strutture. Qualsiasi cosa le tenga insieme, qualsiasi forma essa abbia, la chiamiamo materia scura. Questo è il modo con cui lo spiego ai miei studenti. E’ come una storia fantastica, un mistero “oscuro”, tuttavia tutte le strutture che osserviamo nell’Universo sono legate insieme grazie alla presenza di questa componente enigmatica.

Istituto Kavli: La materia scura viene spesso descritta dai media come qualcosa che è stata desunta grazie ai suoi effetti gravitazionali che essa esercita sulla materia ordinaria. Tuttavia non ci si limita solo a questa descrizione, così come ha dichiarato Jeremiah Ostriker.
Michael Turner: Assolutamente. La materia scura giuoca un ruolo importante per la cosmologia e l’evidenza della sua esistenza proviene da tutta una serie di misure: la quantità di deuterio prodotto in seguito al Big Bang, la radiazione cosmica di fondo, la formazione delle strutture cosmiche, le curve di rotazione delle galassie, il fenomeno della lente gravitazionale, e così via.

Istituto Kavli: Secondo Ostriker, l’esistenza della materia scura nell’Universo sarebbe in accordo con le previsioni del modello cosmologico standard.
Michael Turner: Secondo il punto di vista di Ostriker, si. Abbiamo detto che la quantità di materia scura è cinque volte superiore a quella della materia ordinaria e la sua esistenza ci permette di capire la storia cosmica dalle origini fino ad oggi. Se qualcuno affermasse che non abbiamo più bisogno di ammettere l’esistenza della materia scura, il nostro attuale modello cosmologico verrebbe meno.

Istituto Kavli: Ostriker ha inoltre affermato che dovremmo essere aperti ad assumere come componenti della materia scura qualsiasi altra forma di particella e non solamente limitarci alle WIMPs. Ad esempio, altre particelle candidate potrebbero essere i neutrini o gli assioni.
Michael Turner: Si perché lui non si preoccupa di capire cosa può essere la materia scura. Tutte queste particelle vanno bene ma il rovescio della medaglia è che la cosmologia ci dice poco sulla sua natura e origine tranne il fatto che essa è ‘fredda’.

Istituto Kavli: Secondo Voi, queste particelle vanno altrettanto bene per spiegare la materia scura?
Edward Kolb: In realtà, per la materia scura fredda, cioè composta da particelle che si muovono molto lentamente in confronto alla velocità della luce e che sono quelle richieste per formare le galassie e gli ammassi di galassie, tutte queste particelle sono buone candidate. Sulle WIMPs abbiamo buone possibilità di realizzare una serie di test sperimentali. Quindi non dobbiamo aspettare i prossimi 30 anni o il prossimo secolo come potrebbe darsi nel caso in cui tentassimo di rivelare un altro tipo di particella che stiamo ipotizzando oggi. In altre parole, non occorre costruire un acceleratore di particelle più grande di LHC.

Istituto Kavli: Cosa vi rende ottimisti sul fatto che siamo oggi sulla soglia di una scoperta?
Edward Kolb: Prima di tutto, l’ipotesi in base alla quale la materia scura è costituita dalle particelle WIMPs, e che è stata generata da particelle normali, come i quark, durante le fasi primordiali della storia dell’Universo, è una conquista affascinante. Ci aspettiamo di produrre le WIMPs negli acceleratori di particelle non solo ma ci aspettiamo che esse annichilino ancora oggi nella Galassia per cui dovremmo rivelarle indirettamente. Dunque, chi sarà il primo a rivelare le WIMPs? Forse un ricercatore tra 30 anni, comunque sia dovremmo essere capaci di rivelarle sia direttamente che indirettamente.
Maria Spiropulu: Con LHC, e ancora prima con il Tevatron, abbiamo realizzato una serie di esperimenti alla scopo di rivelare le particelle che compongono la materia scura. Per noi scienziati, l’ottimismo è dovuto al fatto che LHC è operativo e ci permette di raccogliere una grande quantità di dati. Il cosiddetto Modello Standard, che descrive le proprietà ed il comportamento delle particelle elementari e le loro interazioni fondamentali, ci dice matematicamente come si ottiene la materia scura e se la matematica descrive accuratamente la realtà, allora LHC dovrà raggiungere quelle energie necessarie per produrre le particelle che formano la materia scura. Per esempio, abbiamo trovato una particella che assomiglia al bosone di Higgs, ma ciò era previsto. Dunque il prossimo grande passo per costruire il nostro “edificio della conoscenza” sarà quello di trovare le superparticelle, cioè le particelle previste dalla supersimmetria, un modello che se si dimostrerà vero potrà darci le ‘giuste’ particelle candidate per formare la materia scura. Diciamo che si tratta di un miracolo perché la matematica funziona. Tuttavia, il modo con cui si comporta la natura, alla fine della storia, è ciò che vediamo nei dati. Dunque se sarà così, non parleremo di miracoli. 
Michael Turner: Queste particelle candidate, o WIMPs, spesso non interagiscono con la materia ordinaria. Ci sono voluti 25 anni prima di migliorare la sensibilità dei rivelatori di un fattore pari a circa un milione, perciò oggi abbiamo una possibilità unica di rivelare le particelle della materia scura. Riteniamo che siamo sulla strada giusta. Per quanto invece riguarda le osservazioni indirette, oggi disponiamo dei telescopi spaziali, quali il satellite Fermi, o il rivelatore terrestre IceCube che possono rivelare le particelle ordinarie, cioè positroni, raggi gamma o neutrini, che si generano quando le particelle della materia scura annichilano, rivelandole così in maniera indiretta.

Istituto Kavli: Solo pochi scienziati hanno dichiarato che le particelle della materia scura potrebbero non essere mai rivelate.
Michael Turner: Per la maggior parte di noi, da circa 20 o 30 anni l’idea che la materia scura faccia parte integrante di una teoria unificata è stata il “Santo Graal” della fisica e ha portato all’ipotesi delle WIMPs e al fatto che la rivelazione di queste particelle sia possibile. Tuttavia, c’è una generazione di fisici che affermano che esiste una strada alternativa. In altre parole, la materia scura sarebbe la punta dell’iceberg appartenente ad un mondo che non fa parte del nostro. Non posso dire nulla di quest’altro mondo dove potrebbero non esistere regole, almeno come noi le conosciamo. Forse, questa idea potrebbe essere corretta e potrebbe essere la soluzione al mistero della materia scura. Ed è ciò che ha portato lo stesso Ostriker a dichiarare che la scoperta delle particelle che compongono la materia scura potrebbe avverarsi forse tra 100 anni.

Istituto Kavli: Tra altri, Michael Witherell ha affermato che la natura non sempre garantisce l’osservazione sperimentale.
Michael Turner: Vero. Ma noi abbiamo l’ipotesi delle WIMPs che è verificabile o meno. E ci sono buone probabilità che sia vera.

Istituto Kavli: Quando pensate di rivelare le WIMPs?
Edward Kolb: E’ facile a dirsi, almeno tra dieci anni. Abbiamo gli esperimenti di LHC, che sarà pienamente operativo tra almeno un anno, le osservazioni di Fermi, e persino esperimenti sotto terra con il rivelatore Xenon100.

Istituto Kavli: Come anche il programma LUX, ad esempio.
Edward Kolb: Tra dieci anni, se non avremo ottenuto alcuna evidenza dell’esistenza delle WIMPs o delle superparticelle, dovremmo cambiare strada. Oggi nessun esperimento suggerisce di farlo ma se tra dieci anni non otteniamo alcun indizio dovremo cercare delle alternative. Oggi possiamo fare questa affermazione che non era possibile farla dieci o addirittura cinque anni fa.

Istituto Kavli: Questo perché abbiamo tanto lavoro da fare e abbiamo eliminato altre possibilità.
Edward Kolb: Siamo come in Ghostbusters, abbiamo gli strumenti. Abbiamo il talento.
Maria Spiropulu: Credo che sia difficile dire che la scoperta sia dietro l’angolo. Se continuiamo con le esclusioni, dovremo cercare altre idee. Stiamo cercando di capire che cosa sia la materia scura. Non stiamo dicendo “è la materia scura”, non vogliamo dire “l’Universo è” ma vogliamo capire esattamente di che cosa è fatto l’Universo. Ci aspetta un grande lavoro e qualcuno comincia a dire che non sarà così facile come dare la caccia al bosone di Higgs.

Istituto Kavli: Vi aspettate che dalla materia scura si abbiano ulteriori indizi sull’altro grande mistero della moderna cosmologia, l’energia scura?
Edward Kolb: Forse non impareremo nulla. Ma dipenderà dalla risposta che otterremo. Insomma, è anche possibile che non avremo alcuna informazione importante sulla natura dell’energia scura.
Michael Turner: Possiamo dire che ci sono due punti di vista. Uno è conservativo e vuole che la materia scura è fatta proprio da quelle particelle che non emettono luce, insomma le particelle più importanti rispetto a quelle di cui siamo fatti e che abbiamo scoperto circa 70 anni fa. E l’energia scura è, invece, un problema nuovo che non è correlato con la materia scura. 

Istituto Kavli: E l’unica cosa che esse condividono è il fatto che sono sconosciute?
Michael Turner: Esatto. Il punto di vista conservativo è il fatto che l’energia scura non sia correlata alla materia scura. Ricordiamo che l’energia scura è quella forma di energia che sta determinando l’espansione accelerata dell’Universo. Si tratta di un modo molto semplicistico di risolvere i problemi considerandoli uno alla volta. L’altro punto di vista è più radicale ed è stato introdotto da Erik Verlinde il quale afferma che le due componenti siano correlate e che non abbiano a che fare con le particelle. Si tratta di qualcosa di grande, molto grande. Le due componenti sono correlate e puntano ad una spiegazione più completa. Non si può discernere dalle due parlando di una in termini di particelle, la materia scura, e l’altra in termini di energia, l’energia scura. Bisogna riconsiderare il problema da un altro punto di vista.
Maria Spiropulu: Credo che bisogna osservare che il cosiddetto “settore scuro” debba aver a che fare con la gravità. Forse la materia scura e l’energia scura sono correlate dalla gravità. La forza di gravità è l’unica delle quattro forze che non siamo riusciti a mettere insieme con le altre tre interazioni fondamentali.
Michael Turner: Hai ragione, la gravità potrebbe essere il legame, per così dire, tra le due componenti. Di fatto, la gravità è la forza più importante in cosmologia e in astrofisica mentre è la meno importante al livello atomico.
Edward Kolb: Per fare una battuta, la materia scura non solo tiene insieme le galassie ma anche i cosmologi e i fisici delle particelle.
Michael Turner: Sappiamo che Einstein non ebbe l’ultima parola sulla gravità perché la sua teoria non contempla la meccanica quantistica. Così, qualsiasi problema che riguarda la presenza della gravità potrebbe essere il punto di partenza per arrivare a formulare una teoria più completa della gravità.
Edward Kolb: Non credo che il pubblico sarebbe contento di sapere che ciò che è stato ritenuto corretto per circa 30 anni sulle leggi fisiche e su come funziona l’Universo si dimostrasse improvvisamente sbagliato.
Michael Turner: Vogliamo nuovi puzzle da risolvere.
Maria Spiropulu: Sempre. E devo dire che nel campo della fisica delle particelle esiste una lista di esperimenti che sono stati concepiti negli ultimi 30 anni e che non hanno trovato quello per cui erano stati costruiti. Nessuno. Hanno trovato tutt’altro, altre cose certamente importanti. E’ incredibile. Un esempio eclatante è il telescopio spaziale Hubble che ha permesso di rivelare più di quanto non fosse stato concepito durante la sua progettazione.
Michael Turner: Credo che l’Universo sia vasto. Spesso esso si trova ben al di là dei limiti raggiungibili dai nostri strumenti ma oggi siamo arrivati al punto di comprenderlo e di identificare cosa sia la materia scura. La vecchia generazione di scienziati ha concepito l’ipotesi delle WIMPs e noi vogliamo verificarla. La nuova generazione di scienziati vuole, invece, avere l’emozione di risolvere il mistero.

Istituto Kavli: Qualcuno di Voi vorrebbe scambiare questo momento della storia della fisica con un altro?
Edward Kolb: No, no. Per la materia scura credo che questo sia il momento giusto. Non vedo niente che possa convergere ad un altro momento storico come questo ora.
Michael Turner: Per concludere possiamo dire, in analogia al Cavaliere Oscuro, che questo è il momento giusto per essere un “cosmologo scuro”.






Per approfondire questo argomento: Idee sull'Universo e Enigmi Astrofisici

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