Almeno un quarto dell'universo è invisibile.

A differenza dei raggi X che l'occhio nudo non può vedere ma che l'attrezzatura può misurare, gli scienziati devono ancora rilevare la materia oscura dopo tre decenni di ricerche, anche con gli strumenti più sensibili al mondo. Ma la materia oscura è così fondamentale per la fisica che gli scienziati supportati dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia la stanno cercando in alcuni dei luoghi più isolati del mondo, dal profondo sottosuolo allo spazio esterno.

"Senza materia oscura, è possibile che non esistessimo, " disse Michele Salamon, un responsabile del programma DOE Office of Science High Energy Physics (HEP).

L'Office of Science supporta un programma completo nella caccia alla materia oscura e ad altri fenomeni che aiutano gli scienziati a comprendere meglio come funziona l'universo al suo livello più fondamentale.

Tracce dell'influenza della materia oscura

Quello che sappiamo della materia oscura deriva dai modi in cui ha influenzato l'universo fin dal Big Bang. Come impronte lasciate da un animale sfuggente, il cosmo è pieno di segni dell'esistenza della materia oscura, ma in realtà non abbiamo visto la creatura stessa.

L'astronomo Fritz Zwicky scoprì la materia oscura nel 1933 mentre stava esaminando l'ammasso di galassie Coma. Notò che emettevano molta meno luce di quanto avrebbero dovuto, considerando la loro massa. Dopo aver eseguito alcuni calcoli, si rese conto che la maggior parte della massa dell'ammasso non emetteva affatto luce o radiazioni elettromagnetiche.

Ma non era solo quel cluster. Oggi, sappiamo che la materia visibile rappresenta solo il cinque percento della massa-energia totale dell'universo. (Come la famosa equazione di Einstein, E=mc2, ci dice, i concetti di materia ed energia sono intrinsecamente collegati.) La materia oscura costituisce circa un quarto dell'energia totale di massa, mentre l'energia oscura comprende il resto.

Dalla scoperta iniziale di Zwicky, gli scienziati hanno trovato una serie di altri segni rivelatori. Esaminando la rotazione delle galassie negli anni '70, l'astronoma Vera Rubin si rese conto che non si muovono nel modo in cui "dovrebbero" se esiste solo materia visibile. La sua scoperta del problema della rotazione delle galassie fornisce alcune delle prove più forti dell'esistenza della materia oscura. Allo stesso modo, radiazione cosmica di fondo, su cui è impressa una registrazione dell'universo primordiale, riflette la presenza della materia oscura.

Gli scienziati pensano che la materia oscura sia molto probabilmente costituita da una particella elementare completamente nuova che cadrebbe al di fuori del Modello Standard in cui si inseriscono tutte le particelle attualmente conosciute. Interagirebbe solo debolmente con altre particelle note, rendendo molto difficile il rilevamento. Ci sono due particelle principali che i teorici hanno postulato per descrivere le caratteristiche della materia oscura:WIMP e assioni.

Le particelle massive a interazione debole (WIMP) sarebbero elettricamente neutre e 100 a 1, 000 volte più massiccio di un protone. Gli assioni non avrebbero carica elettrica e sarebbero straordinariamente leggeri, forse fino a un trilionesimo della massa di un elettrone.

A caccia di materia oscura

Non solo la materia oscura non emette luce o radiazioni elettromagnetiche, non interagisce nemmeno con loro. Infatti, l'unico mezzo con cui gli scienziati sono sicuri che la materia oscura interagisce con la materia ordinaria è attraverso la gravità. Ecco perché milioni di particelle di materia oscura passano attraverso la materia normale senza che nessuno se ne accorga. Per catturare anche il più piccolo scorcio, gli scienziati stanno utilizzando alcune delle apparecchiature più sofisticate al mondo.

Il grande esperimento allo xeno sotterraneo e il rilevamento diretto

L'esperimento Large Underground Xenon (LUX), che è durato quasi due anni e si è concluso a maggio 2016, è stato uno degli sforzi più significativi per rilevare direttamente la materia oscura.

Il rilevamento diretto di una particella di materia oscura richiede che si scontri con un nucleo (il nucleo di un atomo) di materia ordinaria. Se ciò si verifica, il nucleo emetterebbe solo un po' di energia rilevabile. Però, la probabilità che queste particelle si scontrino è incredibilmente bassa.

Inoltre, La superficie terrestre ha una straordinaria quantità di "rumore" radioattivo. Cercare di rilevare le interazioni della materia oscura in superficie è come cercare di sentire qualcuno sussurrare attraverso la stanza di una rumorosa scuola materna.

Per aumentare le possibilità di rilevare una particella di materia oscura e solo una particella di materia oscura, LUX era enorme e si trovava a più di un miglio sottoterra. Con un terzo di tonnellata di xeno liquido raffreddato circondato da 72, 000 galloni d'acqua e potenti sensori, LUX aveva la migliore sensibilità al mondo per le WIMP. Avrebbe potuto rilevare una particella con una massa compresa tra poche volte fino a 1800 volte la massa di un protone. Nonostante tutto questo, LUX non ha mai catturato abbastanza eventi per fornire una forte prova della presenza della materia oscura.

LUX era quello che HEP chiama un esperimento di rilevamento diretto di "Generazione 1". Altri esperimenti di rilevamento diretto di "Generazione 1" attualmente in corso e supportati dall'Office of Science stanno prendendo una strada leggermente diversa. Il PICO 60, Darkside-50, e esperimenti SuperCDMS-Soudane, Per esempio, cerca WIMP, mentre il rilevatore ADMX-2 cercava l'altro potenziale candidato della materia oscura, l'assone.

Ci sono anche esperimenti di rilevamento diretto di "Generazione 2" attualmente in fase di progettazione, fabbricazione, o messa in servizio, compreso il LUX-Zeplin (LZ), Super CDMS-SNOLAB, e ADMX-Gen2.

Lo spettrometro magnetico alfa e la rivelazione indiretta

Inoltre, ci sono esperimenti che si concentrano sulla rilevazione indiretta.

Alcuni teorici suggeriscono che le particelle di materia oscura in collisione potrebbero annichilarsi a vicenda e produrre due o più particelle "normali". In teoria, le WIMP in collisione potrebbero produrre positroni. (Un positrone è la controparte di antimateria caricata positivamente dell'elettrone.) L'Alpha Magnetic Spectrometer sulla Stazione Spaziale Internazionale cattura i raggi cosmici, frammenti di atomi accelerati ad alte energie dall'esplosione di stelle. Se l'AMS rileva un numero elevato di positroni in uno spettro ad alta energia dove normalmente non sarebbero, potrebbe essere un segno di materia oscura.

"AMS è uno strumento bellissimo, ", ha detto Salamon. "Tutti riconoscono che questo è l'esperimento di raggi cosmici più precisi al mondo nello spazio".

Finora, l'AMS ha registrato 25 miliardi di eventi. Ha trovato un eccesso di positroni nell'intervallo appropriato, ma non ci sono prove sufficienti per affermare in modo definitivo da dove provengono i positroni. Ci sono altre possibili fonti, come le pulsar.

Oltre all'AMS, Il DOE supporta anche il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi, che analizza i raggi gamma mentre gira intorno al globo e può offrire un'altra strada per il rilevamento della materia oscura.

Produzione di materia oscura al Large Hadron Collider

In teoria, un acceleratore di particelle potrebbe creare materia oscura facendo scontrare particelle standard ad alte energie. Anche se l'acceleratore non sarebbe in grado di rilevare la materia oscura stessa, potrebbe cercare l'energia "mancante" prodotta da tale interazione. Gli scienziati del Large Hadron Collider, l'acceleratore di particelle più grande e potente del mondo, stanno adottando questo approccio.

Lezioni apprese e il futuro della ricerca

Finora, non un singolo esperimento ha prodotto una traccia definitiva di materia oscura.

Ma questi esperimenti non sono falliti, anzi, molti hanno avuto abbastanza successo. Anziché, hanno ristretto il nostro campo di ricerca. Cercare la materia oscura è come cercare un oggetto smarrito in casa. Mentre vai a caccia in ogni stanza, elimini sistematicamente i luoghi in cui potrebbe trovarsi l'oggetto.

Al posto delle stanze, gli scienziati stanno cercando la materia oscura attraverso una gamma di forze e masse di interazione. "Man mano che gli esperimenti diventano più sensibili, stiamo iniziando ad eliminare i modelli teorici, " disse Salamone.

La ricerca della materia oscura è tutt'altro che finita. Con ogni bit di dati, ci avviciniamo alla comprensione di questo aspetto onnipresente ma sfuggente dell'universo.