La materia oscura è il misterioso materiale che tiene insieme l'Universo, eppure nessuno l'ha visto; o sentito, annusato, assaggiato o toccato.

Ma questo potrebbe presto cambiare, e un laboratorio a 1000 metri sotto terra nella miniera d'oro di Stawell a metà strada tra Melbourne e Adelaide potrebbe essere l'epicentro di questa scoperta.

I fisici di recente hanno avuto una buona corsa nel rilevare l'apparentemente non rilevabile. Prima c'era il bosone di Higg, confermato da esperimenti al Large Hadron Collider nel 2012, quasi 50 anni dopo la sua esistenza è stata proposta per la prima volta. Poi nel 2015 i rivelatori LIGO hanno trovato onde gravitazionali, un secolo dopo che Einstein li aveva predetti. Entrambe le scoperte sono state premiate con premi Nobel.

Se tutto va secondo i piani, nei prossimi anni la materia oscura si sposterà dal regno dell'ipotetico all'osservabile, aprendo una nuova era nella fisica sperimentale, e un passo importante verso una teoria fondamentale della natura.

La professoressa Elisabetta Barberio sta guidando lo sforzo australiano per rilevare la materia oscura, come Direttore del Centro per la Fisica delle Particelle della Materia Oscura. Il fisico dell'Università di Melbourne afferma che l'Australia è in una posizione unica per confermare l'esistenza della materia oscura.

Come facciamo a sapere cosa stiamo cercando?

È iniziato con alcuni semplici calcoli basati sulla legge di gravità di Newton.

"Se guardo il sistema solare, c'è il sole e tutti i pianeti, e se conosco la velocità di un pianeta e la sua distanza dal sole, posso calcolare la massa del sole, "dice il professor Barberio.

"Possiamo fare lo stesso con la nostra galassia. Possiamo prendere il moto di una stella, e, conoscendo la distanza della stella dal centro della galassia, possiamo calcolare quanto materiale c'è nella galassia.

"Quando facciamo questo calcolo, la quantità di materiale che vediamo e la quantità di materiale che dovrebbe essere lì secondo i nostri calcoli non corrispondono. I nostri calcoli dicono che c'è molto più materiale nella galassia di quello che possiamo vedere. E questa è materia oscura".

I fisici pensano che la materia oscura sia costituita da una particella fondamentale ancora sconosciuta che non ha carica elettrica, non fa luce, e non interagisce molto con niente. Ma pensano anche che ci sarà l'interazione occasionale che potremmo forse rilevare, data la giusta attrezzatura e la giusta posizione.

"Sappiamo che c'è molta materia oscura nella galassia:tra il 70 e l'80 percento del materiale nella galassia è materia oscura, "dice il professor Barberio, "e così ogni secondo i nostri corpi sono attraversati da miliardi di queste particelle di materia oscura che non ci fanno nulla. Siamo trasparenti a queste particelle".

"Però, lo pensiamo molto, molto raramente, una particella di materia oscura interagisce con il nucleo di un atomo in un materiale che possiamo vedere, ciò che chiamiamo materia normale".

Il problema è che anche altre cose interagiscono con i nuclei atomici; in particolare i raggi cosmici e la radioattività.

"La probabilità che la materia oscura interagisca con il mio nucleo è di un evento ogni 10 kg di materiale al giorno, " dice il professor Barberio. "La probabilità che la radioattività oi raggi cosmici interagiscano con il mio nucleo è di 10 miliardi di volte per 10 kg di materiale al giorno".

In altre parole, 1 su 10 miliardi di queste interazioni è materia oscura, rendendo impossibile distinguere qualsiasi segnale dal rumore.

Andare sottoterra

Per migliorare queste probabilità dobbiamo ridurre il numero di altre interazioni che si verificano. Il primo passo è andare sottoterra, molto sottoterra. I raggi cosmici vengono assorbiti dalla roccia, quindi se vai abbastanza in profondità puoi ridurli quasi a zero.

"Andando sottoterra abbiamo già eliminato qualche miliardo di interazioni, "dice il professor Barberio.

"E poi dobbiamo anche eliminare tutta la radioattività residua nel materiale da cui costruiamo il nostro rivelatore, perché anche se portiamo una banana nel nostro laboratorio, avrà così tanta radioattività che ci saranno alcuni conteggi, alcune interazioni, al giorno, con i miei nuclei, e oscurerà la materia oscura."

"Scegliamo il materiale giusto, o costruire un materiale con una radioattività molto bassa, e poi costruiamo il nostro rilevatore sottoterra e iniziamo ad aspettare, e conta quante volte c'è questa interazione."

Esistono diversi rilevatori sotterranei di materia oscura, e si afferma persino di vedere la materia oscura. Il Laboratorio del Gran Sasso, costruito all'interno di una montagna in Italia, tiene traccia di ciò che dicono sia la modulazione annuale della materia oscura che arriva sulla Terra.

Mentre la Terra gira intorno al sole, la sua velocità rispetto al centro della galassia cambia. A giugno la Terra sta viaggiando intorno alla galassia a circa 260 km al secondo, mentre a dicembre è più simile a 200 km al secondo. Pertanto ci aspetteremmo che la Terra venga colpita da più materia oscura a giugno che a dicembre. Ed è quello che osserva il team del Gran Sasso nei propri dati.

"Se sei in bicicletta e vai più veloce o più lento hai più o meno vento, "dice il professor Barberio.

Il rivelatore di materia oscura australiano

Cambiamenti stagionali, dall'estate all'inverno, potrebbe anche portare a un ciclo nel tasso di interazioni sui rivelatori di materia oscura. Ed è qui che entra in gioco l'Australia.

Per rimuovere questo potenziale errore, dobbiamo ripetere gli esperimenti nell'emisfero australe, dove le stagioni si capovolgono. Se vediamo un modello stagionale, con un picco in estate e un minimo in inverno, poi i dati dell'Italia vanno ripensati. Se vediamo lo stesso modello annuale, però, con un picco a giugno e un minimo a dicembre, questa potrebbe essere l'evidenza che finalmente conferma l'esistenza della materia oscura.

La miniera d'oro di Stawell nel Victoria occidentale è uno dei pochi posti in Australia che può ospitare un rilevatore di materia oscura.

"Devi trovare una miniera molto profonda o una montagna molto alta, "dice il professor Barberio.

"Non abbiamo montagne molto alte, quindi dovevamo trovare una miniera. Ci sono pochissime miniere in Australia che hanno la profondità e l'accesso necessari. Per fortuna, abbiamo un grande supporto dai proprietari della miniera e dalla comunità locale Stawell per il nostro laboratorio."

Il team del professor Barberio spera che lo Stawell Underground Physics Laboratory sarà operativo quest'anno. Questo sarà il primo rivelatore di materia oscura nell'emisfero australe, e, quando combinato con i dati di altri rilevatori in tutto il mondo, potrebbe finalmente confermare l'esistenza della materia oscura.