Questa immagine del Centauro A, una delle galassie attive più vicine alla Terra, combina i dati delle osservazioni in più intervalli di frequenza. Credito:ESO/WFI (ottica), MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al. (submillimetrico), NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al. (Raggi X)
Ricercatori dalla Russia, Finlandia, e gli Stati Uniti hanno posto un vincolo sul modello teorico delle particelle di materia oscura analizzando i dati delle osservazioni astronomiche dei nuclei galattici attivi. Le nuove scoperte forniscono un ulteriore incentivo per i gruppi di ricerca di tutto il mondo che cercano di decifrare il mistero della materia oscura:nessuno è abbastanza sicuro di cosa sia fatto. Il documento è stato pubblicato nel Journal of Cosmology and Astroparticle Physics .
La domanda su quali particelle compongono la materia oscura è cruciale per la moderna fisica delle particelle. Nonostante le aspettative che le particelle di materia oscura sarebbero state scoperte al Large Hadron Collider, questo non è successo. Un certo numero di ipotesi allora tradizionali sulla natura della materia oscura dovettero essere respinte. Diverse osservazioni indicano che la materia oscura esiste, ma a quanto pare lo costituisce qualcosa di diverso dalle particelle del Modello Standard. I fisici devono quindi considerare ulteriori opzioni che sono più complesse. Il Modello Standard deve essere esteso. Tra i candidati all'inclusione ci sono particelle ipotetiche che possono avere masse nell'intervallo da 10?²? a 10?¹? volte la massa dell'elettrone. Questo è, la particella speculata più pesante ha una massa di 40 ordini di grandezza maggiore di quella della più leggera.
Un modello teorico tratta la materia oscura come composta da particelle ultraleggere. Questo offre una spiegazione per numerose osservazioni astronomiche. Però, tali particelle sarebbero così leggere da interagire molto debolmente con altra materia e luce, rendendoli estremamente difficili da studiare. È quasi impossibile individuare una particella di questo tipo in un laboratorio, così i ricercatori si rivolgono alle osservazioni astronomiche.
"Stiamo parlando di particelle di materia oscura che sono 28 ordini di grandezza più leggere dell'elettrone. Questa nozione è di fondamentale importanza per il modello che abbiamo deciso di testare. L'interazione gravitazionale è ciò che tradisce la presenza di materia oscura. Se spieghiamo tutte le massa di materia oscura osservata in termini di particelle ultraleggere, ciò significherebbe che ce ne sono un numero enorme. Ma con particelle leggere come queste, sorge la domanda:come li proteggiamo dall'acquisizione di massa effettiva a causa delle correzioni quantistiche? I calcoli mostrano che una possibile risposta sarebbe che queste particelle interagiscono debolmente con i fotoni, cioè, con radiazioni elettromagnetiche. Questo offre un modo molto più semplice per studiarli:osservando la radiazione elettromagnetica nello spazio, " ha detto Sergey Troitsky, coautore dell'articolo e capo ricercatore presso l'Istituto per la ricerca nucleare dell'Accademia delle scienze russa.
Quando il numero di particelle è molto alto, invece di singole particelle, puoi trattarli come un campo di una certa densità che permea l'universo. Questo campo oscilla coerentemente su domini che sono dell'ordine di 100 parsec di dimensione, o circa 325 anni luce. Ciò che determina il periodo di oscillazione è la massa delle particelle. Se il modello considerato dagli autori è corretto, questo periodo dovrebbe essere di circa un anno. Quando una radiazione polarizzata passa attraverso un tale campo, il piano di polarizzazione della radiazione oscilla con lo stesso periodo. Se si verificano cambiamenti periodici come questo, le osservazioni astronomiche possono rivelarli. E la lunghezza del periodo, un anno terrestre, è molto conveniente, perché molti oggetti astronomici sono osservati per diversi anni, che è sufficiente perché i cambiamenti nella polarizzazione si manifestino.
Gli autori dell'articolo hanno deciso di utilizzare i dati dei radiotelescopi terrestri, perché ritornano agli stessi oggetti astronomici molte volte durante un ciclo di osservazioni. Tali telescopi possono osservare nuclei galattici attivi remoti, regioni di plasma surriscaldato vicino ai centri delle galassie. Queste regioni emettono radiazioni altamente polarizzate. Osservandoli, si può monitorare il cambiamento nell'angolo di polarizzazione per diversi anni.
"All'inizio sembrava che i segnali dei singoli oggetti astronomici esibissero oscillazioni sinusoidali. Ma il problema era che il periodo seno doveva essere determinato dalla massa delle particelle di materia oscura, il che significa che deve essere lo stesso per ogni oggetto. C'erano 30 oggetti nel nostro campione. E può essere che alcuni di loro abbiano oscillato a causa della loro stessa fisica interna, ma in ogni caso, i periodi non erano mai gli stessi, " Continua Troitsky. "Ciò significa che l'interazione delle nostre particelle ultraleggere con la radiazione potrebbe essere limitata. Non stiamo dicendo che tali particelle non esistono, ma abbiamo dimostrato che non interagiscono con i fotoni, mettendo un vincolo sui modelli disponibili che descrivono la composizione della materia oscura."
"Immagina quanto è stato emozionante! Passi anni a studiare i quasar, quando un giorno si presentarono i fisici teorici, e i risultati delle nostre misurazioni di polarizzazione ad alta precisione e ad alta risoluzione angolare sono improvvisamente utili per comprendere la natura della materia oscura, " aggiunge entusiasta Yuri Kovalev, coautore dello studio e direttore del laboratorio presso l'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e l'Istituto di fisica Lebedev dell'Accademia delle scienze russa.
Nel futuro, il team prevede di cercare le manifestazioni delle ipotizzate particelle di materia oscura più pesanti proposte da altri modelli teorici. Ciò richiederà di lavorare in diverse gamme spettrali e di utilizzare altre tecniche di osservazione. Secondo Troitsky, i vincoli sui modelli alternativi sono più stringenti.
"Proprio adesso, il mondo intero è impegnato nella ricerca di particelle di materia oscura. Questo è uno dei grandi misteri della fisica delle particelle. Come oggi, nessun modello è accettato come favorito, meglio sviluppato, o più plausibile rispetto ai dati sperimentali disponibili. Dobbiamo testarli tutti. scomodo, la materia oscura è "oscura" nel senso che difficilmente interagisce con qualsiasi cosa, particolarmente con la luce. Apparentemente, in alcuni scenari potrebbe avere un leggero effetto sul passaggio delle onde luminose. Ma altri scenari non prevedono alcuna interazione tra il nostro mondo e la materia oscura, diversi da quelli mediati dalla gravità. Questo renderebbe le sue particelle molto difficili da trovare, "conclude Troitsky.
