Le teorie WIMP convenzionali prevedono che le particelle di materia oscura raramente interagiscono tra loro, e solo debolmente con la materia normale. Hitoshi Murayama della UC Berkeley e Yonit Hochberg della Hebrew University prevedono che i SIMP di materia oscura, composto da un quark e un antiquark, colliderebbero e interagirebbero fortemente tra loro, producendo effetti evidenti quando la materia oscura nelle galassie si scontra. Credito:grafica Kavli IPMU
L'intensivo, ricerca mondiale della materia oscura, la massa mancante nell'universo, finora non è riuscito a trovare abbondanza di oscurità, stelle massicce o quantità di strane nuove particelle che interagiscono debolmente, ma un nuovo candidato sta lentamente guadagnando seguaci e supporto di osservazione.
Chiamate SIMP - particelle massicce fortemente interagenti - furono proposte tre anni fa dall'Università della California, Fisico teorico di Berkeley Hitoshi Murayama, professore di fisica e direttore del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) in Giappone, e l'ex postdoc dell'UC Berkeley Yonit Hochberg, ora all'Università Ebraica in Israele.
Murayama afferma che recenti osservazioni di un vicino tamponamento galattico potrebbero essere la prova dell'esistenza di SIMP, e prevede che i futuri esperimenti di fisica delle particelle ne scopriranno uno.
Murayama ha discusso le sue ultime idee teoriche sui SIMP e su come le galassie in collisione supportino la teoria in un discorso invitato il 4 dicembre al 29° Simposio del Texas sull'astrofisica relativistica a Cape Town, Sud Africa.
Gli astronomi hanno calcolato che la materia oscura, mentre invisibile, costituisce circa l'85% della massa dell'universo. La prova più solida della sua esistenza è il movimento delle stelle all'interno delle galassie:senza una macchia invisibile di materia oscura, le galassie voleranno a pezzi. In alcune galassie, le stelle visibili sono così rare che la materia oscura costituisce il 99,9% della massa della galassia.
I teorici inizialmente pensavano che questa materia invisibile fosse solo materia normale troppo debole per essere vista:le stelle fallite chiamate nane brune, stelle bruciate o buchi neri. Eppure i cosiddetti oggetti aureola compatti massicci - i MACHO - sono sfuggiti alla scoperta, e all'inizio di quest'anno un'indagine della galassia di Andromeda da parte del telescopio Subaru ha sostanzialmente escluso qualsiasi significativa popolazione sconosciuta di buchi neri. I ricercatori hanno cercato buchi neri rimasti dall'universo primordiale, cosiddetti buchi neri primordiali, cercando improvvisi schiarimenti prodotti quando passano davanti alle stelle di sfondo e si comportano come una lente debole. Ne trovarono esattamente uno, troppo pochi per contribuire in modo significativo alla massa della galassia.
La struttura fondamentale della SIMP proposta (particella massiva fortemente interagente) è simile a quella di un pione (a sinistra). I pioni sono composti da un quark up e un antiquark down, con un gluone (g) che li tiene insieme. Un SIMP sarebbe composto da un quark e un antiquark tenuti insieme da un gluone (G). Credito:grafica Kavli IPMU
"Quello studio ha praticamente eliminato la possibilità di MACHO; direi che è praticamente sparito, " ha detto Murayama.
Le WIMP, particelle massicce che interagiscono debolmente, non se la sono cavata meglio, nonostante sia stato al centro dell'attenzione dei ricercatori per diversi decenni. Dovrebbero essere relativamente grandi - circa 100 volte più pesanti del protone - e interagire così raramente tra loro da essere definiti "debolmente" interagenti. Si pensava che interagissero più frequentemente con la materia normale attraverso la gravità, aiutando ad attirare la materia normale in gruppi che crescono in galassie e alla fine generano stelle.
I SIMP interagiscono con se stessi, ma non altri
SIMP, come WIMP e MACHO, teoricamente sarebbe stato prodotto in grandi quantità all'inizio della storia dell'universo e da allora si sarebbe raffreddato fino alla temperatura cosmica media. Ma a differenza delle WIMP, Si teorizza che le SIMP interagiscano fortemente con se stesse tramite la gravità, ma molto debolmente con la materia normale. Una possibilità proposta da Murayama è che un SIMP sia una nuova combinazione di quark, quali sono i componenti fondamentali di particelle come il protone e il neutrone, chiamati barioni. Mentre protoni e neutroni sono composti da tre quark, un SIMP sarebbe più simile a un pione nel contenerne solo due:un quark e un antiquark.
Il SIMP sarebbe più piccolo di un WIMP, con una dimensione o una sezione trasversale come quella di un nucleo atomico, il che implica che ce ne sono più di quanti sarebbero WIMP. Numeri più grandi significherebbero che, nonostante la loro debole interazione con la materia normale - principalmente disperdendola, al contrario di fondersi o decadere nella materia normale - lascerebbero comunque un'impronta digitale sulla materia normale, ha detto Murayama.
Vede una tale impronta digitale in quattro galassie in collisione all'interno dell'ammasso Abell 3827, dove, sorprendentemente, la materia oscura sembra essere in ritardo rispetto alla materia visibile. Questo potrebbe essere spiegato, Egli ha detto, dalle interazioni tra la materia oscura in ogni galassia che rallenta la fusione della materia oscura ma non quella della materia normale, fondamentalmente stelle.
Le teorie WIMP convenzionali prevedono una distribuzione con picchi elevati, o cuspide, di materia oscura in una piccola area al centro di ogni galassia. La teoria SIMP prevede una diffusione della materia oscura al centro, che è più tipico delle galassie nane. Credito:grafico Kavli IPMU basato sulla NASA, Immagini STScI
"Un modo per capire perché la materia oscura è in ritardo rispetto alla materia luminosa è che le particelle di materia oscura in realtà hanno dimensioni finite, si disperdono l'uno contro l'altro, quindi quando vogliono spostarsi verso il resto del sistema vengono respinti, " Murayama ha detto. "Questo spiegherebbe l'osservazione. Questo è il genere di cose predette dalla mia teoria secondo cui la materia oscura è uno stato legato di nuovi tipi di quark".
I SIMP superano anche un grave errore della teoria WIMP:la capacità di spiegare la distribuzione della materia oscura nelle piccole galassie.
"C'è questo enigma di vecchia data:se guardi le galassie nane, che sono molto piccoli con poche stelle, sono davvero dominati dalla materia oscura. E se si eseguono simulazioni numeriche di come la materia oscura si aggrega, predicono sempre che c'è un'enorme concentrazione verso il centro. una cuspide, " ha detto Murayama. "Ma le osservazioni sembrano suggerire che la concentrazione è più piatta:un nucleo invece di una cuspide. Il problema del nucleo/cuspide è stato considerato uno dei maggiori problemi con la materia oscura che non interagisce se non per gravità. Ma se la materia oscura ha una dimensione finita, come una SIMP, le particelle possono "tintinnare" e disperdersi, e ciò appiattirebbe effettivamente il profilo di massa verso il centro. Questa è un'altra "prova" di questo tipo di idea teorica".
Ricerche in corso per WIMP e assioni
Sono in programma esperimenti a terra per cercare SIMP, principalmente ad acceleratori come il Large Hadron Collider al CERN di Ginevra, dove i fisici sono sempre alla ricerca di particelle sconosciute che si adattino a nuove previsioni. Un altro esperimento al previsto International Linear Collider in Giappone potrebbe essere utilizzato anche per cercare SIMP.
Mentre Murayama e i suoi colleghi perfezionano la teoria dei SIMP e cercano modi per trovarli, la ricerca di WIMP continua. L'esperimento sulla materia oscura Large Underground Xenon (LUX) in una miniera sotterranea nel South Dakota ha fissato limiti rigorosi su come può apparire un WIMP, e un esperimento aggiornato chiamato LZ spingerà ulteriormente questi limiti. Daniel McKinsey, un professore di fisica dell'Università di Berkeley, è uno dei co-portavoce di questo esperimento, lavorando a stretto contatto con il Lawrence Berkeley National Laboratory, dove Murayama è uno scienziato senior della facoltà.
Questa immagine del telescopio spaziale Hubble dell'ammasso di galassie Abell 3827 mostra la collisione in corso di quattro galassie luminose e una debole galassia centrale, così come le stelle in primo piano nella nostra galassia della Via Lattea e le galassie dietro l'ammasso (Arco B e Immagine con lente A) che sono distorte a causa della materia normale e oscura all'interno dell'ammasso. I SIMP potrebbero spiegare perché la materia oscura, invisibile ma rilevabile a causa della lente, è in ritardo rispetto alla normale materia nella collisione. Credito:Università della California - Berkeley
I fisici stanno anche cercando altri candidati per la materia oscura che non siano WIMP. La facoltà della UC Berkeley è coinvolta in due esperimenti alla ricerca di un'ipotetica particella chiamata assione, che possono soddisfare i requisiti per la materia oscura. L'esperimento Cosmic Axion Spin-Precession (CASPEr), guidato da Dmitry Budker, un professore emerito di fisica che ora è all'Università di Mainz in Germania, e il teorico Surjeet Rajendran, un professore di fisica dell'Università di Berkeley, sta progettando di cercare perturbazioni nello spin nucleare causate da un campo di assioni. Karl van Bibber, un professore di ingegneria nucleare, gioca un ruolo chiave nell'esperimento Axion Dark Matter - High Frequency (ADMX-HF), che cerca di rilevare gli assioni all'interno di una cavità a microonde all'interno di un forte campo magnetico mentre si convertono in fotoni.
"Naturalmente non dovremmo abbandonare la ricerca di WIMP, "Murayama ha detto, "ma i limiti sperimentali stanno diventando davvero, veramente importante. Una volta raggiunto il livello di misurazione, dove saremo nel prossimo futuro, anche i neutrini finiscono per fare da sfondo all'esperimento, cosa inimmaginabile».
I neutrini interagiscono così raramente con la materia normale che circa 100 trilioni di persone volano attraverso i nostri corpi ogni secondo senza che ce ne rendiamo conto. qualcosa che li rende estremamente difficili da rilevare.
"Il consenso della comunità è una specie di, non sappiamo quanto lontano dobbiamo andare, ma almeno dobbiamo scendere a questo livello, " ha aggiunto. "Ma poiché non ci sono assolutamente segni di WIMP che appaiono, le persone stanno iniziando a pensare in modo più ampio in questi giorni. Fermiamoci e pensiamoci ancora".
