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”.
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