Quasi un quarto dell'universo sta letteralmente nell'ombra. Secondo le teorie dei cosmologi, Il 25,8% di esso è costituito da materia oscura, la cui presenza è segnalata essenzialmente solo dalla sua attrazione gravitazionale. In che cosa consista questa sostanza rimane un mistero. Hermann Nicolai, Direttore del Max Planck Institute for Gravitational Physics a Potsdam, e il suo collega Krzysztof Meissner dell'Università di Varsavia hanno ora proposto un nuovo candidato:un gravitino superpesante. L'esistenza di questa particella ancora ipotetica segue da un'ipotesi che cerca di spiegare come lo spettro osservato di quark e leptoni nel modello standard della fisica delle particelle potrebbe emergere da una teoria fondamentale. Inoltre, i ricercatori descrivono un possibile metodo per rintracciare effettivamente questa particella.

Il modello standard della fisica delle particelle comprende gli elementi costitutivi della materia e le forze che li tengono insieme. Afferma che ci sono sei diversi quark e sei leptoni che sono raggruppati in tre "famiglie". Però, la materia che ci circonda e noi stessi siamo in definitiva costituiti da sole tre particelle della prima famiglia:i quark up e down e l'elettrone, che è un membro della famiglia dei leptoni.

Fino ad ora, questo modello standard di lunga data è rimasto invariato. Il Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra è stato messo in servizio circa dieci anni fa con lo scopo principale di esplorare ciò che potrebbe esserci al di là. Però, dopo dieci anni di raccolta dati, gli scienziati non sono riusciti a rilevare alcuna nuova particella elementare, a parte il bosone di Higgs, nonostante le diffuse aspettative contrarie. In altre parole, fino ad ora, le misurazioni con l'LHC non sono riuscite a fornire alcun accenno di "nuova fisica" oltre il modello standard. Questi risultati sono in netto contrasto con le numerose estensioni proposte di questo modello che suggeriscono un gran numero di nuove particelle.

In un precedente articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , Hermann Nicolai e Krzysztof Meissner hanno presentato una nuova ipotesi che cerca di spiegare perché solo le particelle elementari già note si presentano come mattoni di base della materia in natura - e perché, contrariamente a quanto si pensava in precedenza, non ci si aspettano nuove particelle nella gamma di energia accessibile agli esperimenti attuali o futuri possibili.

Inoltre, i due ricercatori postulano l'esistenza di gravitini supermassicci, che potrebbero essere candidati altamente insoliti per la materia oscura. In una seconda pubblicazione, che recentemente è apparso sulla rivista Revisione fisica D , hanno anche presentato una proposta su come rintracciare questi gravitini.

Nel loro lavoro, Nicolai e Meissner riprendono una vecchia idea del premio Nobel Murray Gell-Mann che si basa sulla teoria della "Supergravità N=8". Un elemento chiave della loro proposta è un nuovo tipo di simmetria a dimensione infinita che ha lo scopo di spiegare lo spettro osservato dei quark e dei leptoni conosciuti in tre famiglie. "La nostra ipotesi in realtà non produce particelle aggiuntive per la materia ordinaria che dovrebbero quindi essere discusse perché non si presentano negli esperimenti con gli acceleratori, " dice Hermann Nicolai. "Al contrario, la nostra ipotesi può in linea di principio spiegare precisamente ciò che vediamo, in particolare la replicazione di quark e leptoni in tre famiglie."

Però, i processi nel cosmo non possono essere spiegati interamente dalla materia ordinaria di cui siamo già consapevoli. Un segno di ciò sono le galassie:ruotano ad alta velocità, e la materia visibile nell'universo, che rappresenta solo circa il 5% della materia nell'universo, non sarebbe sufficiente per tenerli insieme. Finora, però, nessuno sa di che pasta è fatto il resto, nonostante i numerosi suggerimenti. La natura della materia oscura è quindi una delle più importanti domande senza risposta in cosmologia.

"L'aspettativa comune è che la materia oscura sia costituita da una particella elementare, e che non è stato ancora possibile rilevare questa particella perché interagisce con la materia ordinaria quasi esclusivamente dalla forza gravitazionale, " afferma Hermann Nicolai. Il modello sviluppato in collaborazione con Krzysztof Meissner offre un nuovo candidato per una particella di materia oscura di questo tipo, sebbene uno con proprietà completamente diverse da tutti i candidati discussi finora, come assioni o WIMP. Questi ultimi interagiscono solo debolmente con la materia conosciuta. Lo stesso vale per i gravitini molto leggeri che sono stati ripetutamente proposti come candidati alla materia oscura in connessione con la supersimmetria a bassa energia. Però, la presente proposta va in una direzione completamente diversa, in quanto non assegna più un ruolo primario alla supersimmetria, anche se lo schema discende dalla massima supergravità N=8. "In particolare, il nostro schema prevede l'esistenza di gravitini superpesanti, che - a differenza dei soliti candidati e a differenza dei gravitini leggeri precedentemente considerati - interagirebbero anche fortemente ed elettromagneticamente con la materia ordinaria, "dice Hermann Nicolai.

La loro grande massa significa che queste particelle potrebbero presentarsi solo in forma molto diluita nell'universo; altrimenti, avrebbero "chiuso troppo" l'universo e quindi portato al suo collasso precoce. Secondo il ricercatore Max Planck, in realtà non ne servirebbero molti per spiegare il contenuto di materia oscura nell'universo e nella nostra galassia:una particella ogni 10, 000 chilometri cubi sarebbero sufficienti. La massa della particella postulata da Nicolai e Meissner si trova nella regione della massa di Planck, cioè circa un centomilionesimo di chilogrammo. In confronto, protoni e neutroni, gli elementi costitutivi del nucleo atomico, sono circa dieci quintilioni (dieci milioni di trilioni) di volte più leggeri. Nello spazio intergalattico, la densità sarebbe ancora molto più bassa.

"La stabilità di questi gravitini pesanti dipende dai loro insoliti numeri quantici (cariche), "dice Nicolai. "In particolare, semplicemente non ci sono stati finali con le cariche corrispondenti nel modello standard in cui questi gravitini potrebbero decadere, altrimenti, sarebbero scomparsi poco dopo il Big Bang."

Le loro interazioni forti ed elettromagnetiche con la materia nota possono rendere queste particelle di materia oscura più facili da rintracciare nonostante la loro estrema rarità. Una possibilità è cercarli con misurazioni del tempo di volo dedicate in profondità nel sottosuolo, poiché queste particelle si muovono molto più lentamente della velocità della luce, a differenza delle normali particelle elementari originate dalla radiazione cosmica. Tuttavia, penetrerebbero nella Terra senza sforzo a causa della loro grande massa, come una palla di cannone che non può essere fermata da uno sciame di zanzare.

Questo fatto dà ai ricercatori l'idea di utilizzare il nostro pianeta stesso come un "paleo-rilevatore":la Terra orbita nello spazio interplanetario da circa 4,5 miliardi di anni, durante il quale deve essere stato penetrato da molti di questi massicci gravitini. Nel processo, le particelle dovrebbero aver lasciato a lungo, tracce diritte di ionizzazione nella roccia, ma potrebbe non essere facile distinguerli dalle tracce causate da particelle note. "È noto che le radiazioni ionizzanti causano difetti reticolari nelle strutture cristalline. Potrebbe essere possibile rilevare residui di tali tracce di ionizzazione nei cristalli che rimangono stabili per milioni di anni, " dice Hermann Nicolai. A causa del suo lungo "tempo di esposizione" una tale strategia di ricerca potrebbe anche avere successo nel caso in cui la materia oscura non sia distribuita omogeneamente all'interno delle galassie ma soggetta a fluttuazioni di densità locali, il che potrebbe anche spiegare il fallimento delle ricerche per il buio più convenzionale importa candidati finora.