La materia oscura è sempre più sconcertante. Intorno al mondo, i fisici hanno cercato per decenni di determinare la natura di queste particelle di materia, che non emettono luce e sono quindi invisibili all'occhio umano. La loro esistenza è stata postulata negli anni '30 per spiegare alcune osservazioni astronomiche. Come materia visibile, come quella che fa le stelle e la Terra, costituisce solo il 5 per cento dell'universo, è stato proposto che la materia oscura rappresenti il ​​23 percento di ciò che è là fuori. Ma fino ad oggi e nonostante un'intensa ricerca, si è rivelato impossibile identificare effettivamente le particelle coinvolte. I ricercatori della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) hanno ora presentato una nuova teoria della materia oscura, il che implica che le particelle di materia oscura possono essere molto diverse da quanto normalmente si presume. In particolare, la loro teoria coinvolge particelle di materia oscura che sono estremamente leggere, quasi cento volte più leggere degli elettroni, in netto contrasto con molti modelli convenzionali che coinvolgono invece particelle di materia oscura molto pesanti.

Secondo la teoria comune, la materia oscura deve esistere perché altrimenti le stelle non continuerebbero a ruotare attorno al centro delle loro galassie come di fatto fanno. Tra i candidati particolarmente favoriti per la materia oscura ci sono le cosiddette particelle massicce che interagiscono debolmente, o WIMP. Li stanno cercando i ricercatori nel laboratorio sotterraneo del Gran Sasso italiano, Per esempio. Ma le recenti pubblicazioni scientifiche nel campo della fisica delle astroparticelle stanno assumendo sempre più l'opinione che è improbabile che le WIMP siano prospettive praticabili quando si tratta di materia oscura. "Noi, pure, sono attualmente attivamente alla ricerca di possibili alternative, ", ha affermato il professor Joachim Kopp dell'Università di Mainz.

Il fisico, insieme ai suoi colleghi Vedran Brdar, Jia Liu, e Xiao-Ping Want, ha esaminato più da vicino i risultati delle osservazioni intraprese da diversi gruppi indipendenti nel 2014. I gruppi hanno segnalato la presenza di una riga spettrale precedentemente non rilevata, con un'energia di 3,5 kiloelettronvolt (keV), alla luce dei raggi X da galassie lontane e ammassi di galassie. Questa insolita radiazione a raggi X potrebbe offrire un indizio sulla natura della materia oscura. È stato precedentemente sottolineato che le particelle di materia oscura potrebbero decadere, emettendo così raggi X. Però, Il team di Joachim Kopp al Cluster of Excellence on Precision Physics di Magonza, Le interazioni fondamentali e la struttura della materia (PRISMA) stanno adottando un altro approccio.

Radiazione di raggi X prodotta dall'annientamento della materia oscura

I ricercatori PRISMA propongono uno scenario in cui due particelle di materia oscura si scontrano, con conseguente loro reciproco annientamento. Questo è analogo a ciò che accade, ad esempio, quando un elettrone incontra la sua antiparticella, un positrone. "È stato a lungo ipotizzato che non sarebbe possibile osservare un tale annichilimento della materia oscura se fosse composta da particelle che illuminano, " ha spiegato Kopp. "Abbiamo sottoposto a controllo il nostro nuovo modello e lo abbiamo confrontato con i dati sperimentali, e tutto si adatta molto meglio che nel caso dei modelli più vecchi."

Secondo il modello di Kopp, le particelle di materia oscura sarebbero fermioni con una massa di pochi kiloelettronvolt, spesso chiamati neutrini sterili. Tale materia oscura leggera è solitamente considerata problematica perché rende difficile spiegare come si siano formate le galassie. "Finora, siamo stati in grado di affrontare queste preoccupazioni, " ha spiegato Kopp. "Il nostro modello fornisce una via d'uscita elegante." La supposizione che l'annientamento della materia oscura sia un processo in due fasi è di cruciale importanza in questo contesto:durante la fase iniziale del processo, si forma uno stato intermedio, che in seguito si disintegra nei fotoni a raggi X osservati. "I risultati dei nostri calcoli mostrano che la firma radiografica risultante è strettamente correlata alle osservazioni e offre quindi una nuova spiegazione per queste, " ha aggiunto Kopp.

Allo stesso tempo, il nuovo modello stesso è così generale che offrirà un interessante punto di partenza per la ricerca della materia oscura anche se si scopre che la riga spettrale scoperta nel 2014 ha un'origine diversa. I fisici teorici e sperimentali della JGU stanno attualmente lavorando alla proposta missione dell'ESA e-ASTROGRAM, che mira ad analizzare la radiazione a raggi X astrofisica con una precisione mai raggiunta prima.