Risolto uno dei misteri della materia oscura

Un nuova ricerca teorica, che si basa sulla gravità quantistica, è riuscita a quantificare il range di massa all’interno del quale sono situate le particelle candidate a formare la materia oscura. La ricerca, che è stata pubblicata su Physics Letters B, ha di molto ristretto la gamma di masse potenziali per alcune classi di candidate.

Ad illustrare la ricerca c’è il primo autore, Xavier Calmet dell’Università del Sussex. Secondo il ricercatore la prima regola e porsi le giuste domande, in modo da poter poi trovare le risposte adeguate, che in questo caso riguarda la materia oscura.

Il quesito da indagare è molto complesso visto che riguarda oltre il 75% della materia contenuta nell’universo, e riguarda ambiti differenti, come la fisica e dell’astrofisica, dalle leggi fondamentali, alla fisica delle particelle, alle teorie cosmologiche.

Gli scienziati da sempre cercano di dare una riposta all’esistenza della materia oscura, fornendo svariate interpretazioni a riguardo, dalle Wimps, ossia delle particelle che si uniscono con i fotoni, a teorie alternative alla gravità, fino ad arrivare ai buchi neri primordiali che potrebbero dare risposte senza dover modificare il “Modello standard” o la “Relatività generale“.

Negli ultimi anni sono stati effettuati molestissimi progressi per quanto riguarda il campo della gravità quantistica, una branca della fisica che cerca di fornire una descrizione della gravità nei regimi spazio-temporali in cui la gravità einsteiniana fallisce, come al centro di un buco nero.

Xavier Calmet, professore all’Università del Sussex, nel Regno Unito, e primo autore di uno studio sulla materia oscura pubblicato su Physics Letters B, spiega che: “La gravità quantistica è la teoria che descrive gli effetti quantistici del campo gravitazionale. Solitamente si può supporre che questi effetti siano molto deboli, ma se si effettua una confronto tra la durata della vita di una particella che decadrà a causa della gravità quantistica con l’età attuale dell’universo, essi possono essere molto importanti”.

L’età attuale dell’universo, per quanto la vita delle particelle possa essere lunga, è enorme (13.8 miliardi di anni). Anche gli effetti gravitazionale quantistici sono in grado di formare delle forze a lungo raggio che ad oggi sono note in maniera molto dettagliata grazie alle analisi effettuate in laboratorio.

Queste sono le due osservazioni che rappresentano la chiave del vincolo sulle masse delle particelle che compongono la materia oscura. L’idea proposta nell’articolo di Calmet e del suo studente di dottorato, Folkert Kuipers, è che si riesca a rispondere alla domanda che si sta cercando. Infatti, analizzando direttamente la natura della materia oscura non si riescono a raccogliere informazioni, quindi non sarebbe meglio chiedersi prima, qual è il peso di questa particella?

Calmet e Kuipers hanno analizzato differenti tipologie di particelle di materia oscura, attraverso una ricerca completa sulle possibili candidate. Nella gravità quantistica le particelle sono caratterizzate dalla loro massa e da una proprietà meccanica chiamata spin, che però non presenta un suo analogo classico ed è quindi molto più difficile da poter immaginare rispetto alla massa.

L’articolo spiega che per ciascuna di queste specie sono stati derivati dei limiti superiori e inferiori in massa che hanno ristretto, in maniera molto rilevante, gli intervalli dai quali erano partiti gli scienziati. Quindi, se la materia oscura fosse formata da particelle scalari con spin nullo, come nel caso dei bosoni, queste non sarebbero né ultraleggere né ultrapesanti, e avrebbero quindi una massa tra 10-3 eV e 107 eV, un intervallo piuttosto ridotto dello spettro precedentemente teorizzato, che andava dai 10-24 eV ai 1019 GeV.

I limiti presi in esame nell’articolo potrebbero rispondere indirettamente anche alla domanda originaria, ossia qual è la natura della materia oscura. La ricerca ha prodotto anche altri risultati, ossia che il contesto teorico nel quale si sono mossi i ricercatori, si fonda sull’assunzione che le interazioni gravitazionali della materia oscura siano semplicemente descritte dalla teoria della relatività generale di Einstein.

In altre parole significa che da un punto di vista gravitazionale, la materia oscura è indistinguibile dalla materia visibile, ma entrambe seguono le equazioni di Einstein.

Se la ricerca effettuata scoprisse che questi presupposti non sono completamente validi, e che quindi si debba trovare, per una determinata classe di particelle, una massa differente da quella teorizzata nello studio, questa sarebbe la prova dell’esistenza di una forza aggiuntiva e ancora sconosciuta che influisce la materia.

La ricerca svolta riesce ad aiutare i fisici in due modi. Il primo è che riesce a far focalizzare l’area di ricerca della materia oscura, mentre il secondo e che aiuta contestualmente a rivelare se c’è o meno una misteriosa forza aggiuntiva sconosciuta nell’universo.

Calmet, conclude dichiarando che: “La gravità quantistica è debole, ma anche gli effetti deboli possono essere importanti in cosmologia. Quando la materia oscura sarà scoperta sperimentalmente, saremo in grado di confrontare le proprietà misurate di questa particella, o magari di queste particelle, con i nostri calcoli. Se le masse delle particelle di materia oscura non rientrano nei nostri limiti, non solo avremo scoperto la materia oscura, ma avremo anche dimostrato che ci sono nuove e inedite interazioni che la riguardano”.

Fonte:

https://www-media-inaf-it.cdn.ampproject.org/v/s/www.media.inaf.it/2021/01/28/intervallo-massa-dark-matter/amp/?amp_js_v=a6&amp_gsa=1&usqp=mq331AQFKAGwASA%3D&fbclid=IwAR3zW-3x6Q-iDHzgDnIDY119SaWkVrR37yBNatWUcgFEJK0-BcuPhnX1rWM#aoh=16120799000937&csi=0&referrer=https%3A%2F%2Fwww.google.com&amp_tf=Da%20%251%24s&ampshare=https%3A%2F%2Fwww.media.inaf.it%2F2021%2F01%2F28%2Fintervallo-massa-dark-matter%2F