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Simulazione della struttura a ragnatela cosmica della materia oscura nell'universo

La materia oscura costituisce circa il 27% della massa-energia dell'universo, eppure non è mai stata rilevata direttamente. Esperimenti sotterranei come quelli ai Laboratori del Gran Sasso cercano i candidati teorizzati — WIMP e assioni — che potrebbero svelarne la natura. La risposta potrebbe riscrivere il Modello Standard della fisica. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO

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Perché sappiamo che esiste senza averla mai vista
La materia oscura non emette, assorbe né riflette luce: è invisibile a qualsiasi strumento elettromagnetico oggi disponibile. Eppure la sua esistenza è supportata da una convergenza di prove osservative indipendenti così robusta che la fisica moderna la tratta come un fatto accertato, non come un'ipotesi speculativa. La prima evidenza sistematica fu raccolta negli anni Trenta del Novecento dall'astronomo Fritz Zwicky, che studiando le velocità di rotazione delle galassie nell'ammasso della Chioma trovò una discrepanza enorme: le galassie si muovevano troppo velocemente per essere trattenute dalla massa visibile stimata. Senza una massa aggiuntiva invisibile, l'ammasso avrebbe dovuto disintegrarsi.

Negli anni Settanta, l'astronoma Vera Rubin confermò e approfondì questa evidenza studiando le curve di rotazione delle galassie a spirale: le stelle nelle zone periferiche ruotano alla stessa velocità di quelle centrali, anziché rallentare come previsto dalla meccanica kepleriana applicata alla massa visibile. L'unica spiegazione coerente è che ogni galassia sia immersa in un enorme alone di materia invisibile — l'alone di materia oscura — che contribuisce al campo gravitazionale totale senza essere rilevabile otticamente. Simulazioni cosmologiche del tipo N-body, che modellano l'evoluzione dell'universo a grande scala, riproducono correttamente la struttura filamentosa osservata (la "ragnatela cosmica") solo includendo la materia oscura come componente dominante.

I candidati particellari: WIMP, assioni e oltre
Il candidato più studiato è il WIMP (Weakly Interacting Massive Particle): una particella massiccia — tra 10 e 10.000 volte la massa del protone — che interagisce con la materia ordinaria solo attraverso la forza nucleare debole e la gravità. I WIMP emergono naturalmente da teorie fisiche che vanno oltre il Modello Standard, in particolare dalla Supersimmetria (SUSY), che prevede per ogni particella ordinaria una "superpartner" con proprietà quantistiche diverse. Il neutralino, la particella supersimmetrica più leggera e stabile, è il candidato WIMP più popolare in letteratura.

L'assione è invece un candidato di origine diversa: fu teorizzato nel 1977 da Roberto Peccei e Helen Quinn per risolvere un problema interno alla cromodinamica quantistica (il problema CP forte), e successivamente si rivelò un eccellente candidato per la materia oscura. A differenza dei WIMP, gli assioni sono estremamente leggeri — potenzialmente miliardi di volte meno massicci di un elettrone — e interagiscono debolissimamente con i fotoni in presenza di un campo magnetico intenso. Questa proprietà è la base degli esperimenti di tipo ADMX e HAYSTAC, che cercano di convertire gli assioni cosmici in fotoni a microonde rilevabili.

Gli esperimenti sotterranei: il Gran Sasso e la frontiera zero-fondo
I Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN, situati sotto 1.400 metri di roccia nell'Appennino abruzzese, sono tra i principali siti mondiali per la ricerca della materia oscura. Lo schermo di roccia sovrastante riduce il flusso di raggi cosmici di un fattore milione, creando un ambiente di bassissimo fondo radioattivo indispensabile per rilevare gli eventi estremamente rari che caratterizzerebbero una collisione WIMP-nucleo.

L'esperimento XENON, nella sua versione più recente XENONnT, utilizza 5,9 tonnellate di xenon liquido ultrapuro come bersaglio: se un WIMP colpisce un nucleo di xenon, produrrebbe un brevissimo lampo di luce e un piccolo segnale di ionizzazione, entrambi rilevabili da fotomoltiplicatori ultrasensibi. Nonostante anni di funzionamento e sensibilità crescenti, nessuna delle versioni XENON ha registrato un segnale inequivocabile di WIMP. Lo stesso risultato negativo è stato ottenuto dagli esperimenti LUX-ZEPLIN (LZ) negli Stati Uniti e PandaX-4T in Cina, portando i fisici ad escludere vaste regioni di parametri in cui i WIMP avrebbero dovuto manifestarsi secondo le previsioni supersimmetriche più semplici.

L'assenza di segnale: crisi del paradigma o raffinamento dei modelli?
I risultati negativi accumulati negli ultimi vent'anni dagli esperimenti di rilevazione diretta e dalla mancata osservazione di superpartner al Large Hadron Collider del CERN hanno alimentato un dibattito vivace nella comunità fisica. La Supersimmetria nella sua forma più semplice — il cosiddetto MSSM (Minimal Supersymmetric Standard Model) — è sotto pressione crescente, e alcuni fisici parlano apertamente di "crisi del paradigma WIMP".

Altri invece sottolineano che lo spazio dei parametri è enorme e che i modelli SUSY più complessi rimangono del tutto compatibili con le osservazioni. Parallelamente, candidati alternativi hanno guadagnato attenzione: tra questi gli sterili neutrini (neutrini con massa di massa del keV), i "fuzzy dark matter" (particelle di massa dell'ordine di 10 alla meno 22 eV), i primordial black holes — buchi neri formatisi nel primo secondo dopo il Big Bang — e i WIMPzilla, particelle super-massive che non si annichilirebbero mai con l'antimateria. Ogni candidato richiede tecnologie di rilevazione diverse e strumentazione dedicata.

Le prospettive future: prossima generazione di esperimenti
La prossima generazione di esperimenti promette un salto di sensibilità di uno o due ordini di grandezza. DARWIN (DARk matter WImp search with liquid xenoN), in fase di progettazione, utilizzerà circa 50 tonnellate di xenon liquido e raggiungerà il "neutrino floor" — il limite fisico oltre il quale il segnale di neutrini solari e atmosferici diventa un rumore di fondo irriducibile. Se i WIMP esistono con le proprietà attese, DARWIN dovrebbe vederli; se non li vede, l'ipotesi WIMP nel suo senso più classico sarà probabilmente da considerare esclusa.

Sul fronte degli assioni, il progetto ABRACADABRA e il futuro DMRadio estenderanno la ricerca a masse di particella ancora inferiori, mentre CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment) userà tecniche di risonanza magnetica nucleare per cercare l'effetto degli assioni sullo spin dei nuclei atomici. Il quadro complessivo suggerisce che il prossimo decennio sarà decisivo: o la materia oscura si rivelerà attraverso uno di questi strumenti, o sarà necessario riconsiderare alla radice l'intera struttura teorica del cosmo.

La caccia alla materia oscura è forse la più grande avventura intellettuale della fisica contemporanea: una caccia a qualcosa di cui conosciamo con precisione gli effetti gravitazionali ma di cui ignoriamo completamente la natura. Trovare la particella mancante dell'universo sarebbe un salto epistemologico paragonabile alla scoperta dell'elettrone. Non trovarla ci costringerebbe a riscrivere dalle fondamenta la nostra comprensione della realtà.

 

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