E se l'universo che conosciamo fosse solo una piccola parte di un più grande, universo per lo più invisibile, e l'unico modo in cui possiamo interagire è tramite la gravità?

Questa è solo una delle idee che i fisici stanno perseguendo nella ricerca per risolvere il mistero della materia oscura.

Amo l'idea della materia oscura. Per me, è l'enigma finale. Voglio dire, il nostro universo contiene protoni, neutroni ed elettroni, e questo è fantastico. Tutta questa materia "normale" è l'ingrediente di base per tutto, da Brad Pitt alle nuvole di gas intergalattiche. La materia normale esercita anche una forza gravitazionale, e anche questo è fantastico. La gravità impedisce al mio caffè di fluttuare via e impedisce alle galassie di separarsi.

Grave deficit

Ma quando sommi tutte le particelle in tutte le galassie dell'universo, non ce n'è abbastanza per produrre tutta la gravità nell'universo. C'è troppa forza gravitazionale e poca materia.

Perché il nostro universo abbia un senso, ha bisogno di un intero carico di qualcosa in più per colmare il deficit gravitazionale.

Quel qualcosa in più risulta essere fino all'80% della materia nel nostro universo. La chiamiamo materia "oscura":particelle che non possiamo vedere e non capiamo ma che portano una forza gravitazionale sufficiente per bilanciare i libri.

La caccia alla materia scomparsa

Abbiamo cercato per anni prove dirette della materia oscura, ma non abbiamo trovato nulla. Non preoccuparti:sapevamo che sarebbe stato complicato. I ricercatori ritengono che la materia oscura ignori praticamente la materia e la luce normali.

"Le particelle di materia oscura potrebbero essere ovunque intorno a noi, ma semplicemente non interagiscono elettromagneticamente, "dice Vid Iršič, un ricercatore dell'Università di Washington ed esperto di materia oscura. "Potevano interagire solo gravitazionalmente."

Attento! Neutrini di passaggio

Anche se suona strano, c'è già un precedente per le particelle che non giocano bene con le altre. Si chiamano neutrini.

"I neutrini sono molto, particelle molto leggere che interagiscono molto debolmente, " dice Vid. "Vengono dalle stelle. I neutrini del nostro Sole passano attraverso la Terra a miliardi ogni secondo, per ogni centimetro quadrato."

Queste particelle ti stanno attraversando proprio ora, ma le loro interazioni sono così lievi che non senti nulla. Eppure i neutrini sono come grandi bande di ottoni rispetto alla materia oscura.

Quindi cosa sono le particelle di materia oscura?

Ci sono un sacco di teorie ed esperimenti alla ricerca di molte particelle diverse nella corsa per risolvere il mistero della materia oscura. Di seguito elenchiamo i primi cinque candidati per la materia oscura di Vid, dal più probabile al meno probabile. Pensare senza limiti.

Candidato n. 1:particelle massicce che interagiscono debolmente (o WIMP)

Particelle massicce che interagiscono debolmente è un termine generico per un gruppo di particelle che si adattano a questa descrizione. "Interagiscono debolmente" significa che non interagiscono molto con la normale materia o luce. "Massiccio" significa che sono più grandi della massa di un protone.

Le WIMP sono popolari perché sono state previste indipendentemente da alcune diverse teorie della fisica delle particelle. E per il miracolo WIMP. Il miracolo è che queste teorie predicono anche la massa totale delle WIMP, ed è approssimativamente la stessa massa richiesta per spiegare tutta la forza gravitazionale extra. Coincidenza? Forse no.

Candidato n. 2:Axions

Gli assioni sono una particella teorica che abbiamo sognato per risolvere un problema irrisolto nella dinamica quantistica. Nello specifico, la loro esistenza aiuterebbe a spiegare le stranezze nella nostra comprensione dei quark e come si uniscono per formare protoni e neutroni. Ma questa è tutta un'altra storia...

Se gli assioni esistono, spuntano anche alcune caselle di materia oscura. Si prevede che interagiscano solo debolmente con la materia ordinaria e la luce. E sarebbero proprio della misura giusta per noi che ce li siamo persi (finora). (Quella dimensione, nel caso ve lo stiate chiedendo, è da qualche parte tra 2 e 100 microelettronvolt (e un microelettronvolt è 1,78×10 ^-42 chilogrammi).

Anche gli assioni sono super-sorprendenti. Un assione decade in due fotoni. Inoltre puoi creare un assione combinando due fotoni. Speriamo che questo ci aiuterà a rilevarli presto. In Aprile, L'università di Vid ha annunciato che ora può cercare in modo più sensibile che mai i segni del decadimento dell'assone.

Candidato n. 3:materia oscura scalare ultraleggera

Questo candidato è un ragazzo relativamente nuovo sul blocco. Sono anche conosciuti come assioni ultraleggeri, materia oscura sfocata o materia oscura ondulatoria.

Se esiste, è una luce super-duper, qualcosa come 10 ^-22 elettronvolt. E poiché è così leggero, si comporta in un modo che si adatta alla teoria delle stringhe e alla meccanica quantistica. L'idea è che, quando metti insieme un intero carico di galassie di queste particelle, si comportano più come un'onda che come una palla rotante.

Ti ritrovi con particelle minuscole che si combinano in un'onda che si estende per migliaia di anni luce. Non c'è da stupirsi che siano difficili da trovare.

Candidato n. 4:neutrini sterili

La materia oscura potrebbe anche essere una forma speciale di neutrino, che è difficile, perché i neutrini sono già speciali. Sono disponibili in diversi gusti (elettroni, muone e tau), e possono cambiare sapore mentre viaggiano nello spazio. Più, sono minimamente interattive e super leggere.

Neutrini di materia oscura, se esistono, sono il cugino molto più pesante del neutrino. Chiamati neutrini sterili, si prevede che interagiscano con la materia normale solo quando cambiano sapore.

Candidato n. 5:Materia oscura auto-interagente

Questa è un'opzione sempre più popolare. E se non ci fosse un solo tipo di particella di materia oscura, ma molti?

Proprio come la materia normale ha un sacco di particelle diverse, così anche la materia oscura. Ma poiché le particelle normali e le particelle scure non interagiscono molto, potremmo non saperlo mai. Forse l'unico modo per osservare queste particelle sarebbe indirettamente, attraverso il loro effetto gravitazionale sull'evoluzione del cosmo. Tappi pensanti che esplodono.

"Questo è piuttosto affascinante, "dice Vid, in quello che potrebbe essere il più grande eufemismo del mondo.

"Sempre più persone credono che la materia oscura non sia solo una particella ma un insieme di particelle, forse in un'immagine speculare del mondo che conosciamo. Le particelle standard che conosciamo, ma disconnesso da noi tranne che per gravità e non interagisce con noi in nessun altro modo."

Mistero invisibile

Scopriremo mai di cosa è fatta veramente la materia oscura? Bene, faremo del nostro meglio. Migliaia di scienziati in tutto il mondo stanno cercando segni, sperimentando nuove idee e sviluppando tecnologie strabilianti.

Pensavamo che il mondo fosse piatto. E che il nostro universo era visibile. Cosa porteranno i prossimi decenni?

Questo articolo è apparso per la prima volta su Particella, un sito web di notizie scientifiche con sede a Scitech, Perth, Australia. Leggi l'articolo originale.