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Passiamo Al Lato Oscuro – Volume II

Matteo Agati15 min di lettura

“Questo è il Maestro Obi Wan Kenobi. Mi dispiace dover riferire che sia il nostro Ordine Jedi che la Repubblica sono caduti mentre l’ ombra oscura dell’ Impero sta emergendo per prendere il loro posto. Questo messaggio è un avvertimento e un promemoria per tutti i Jedi sopravvissuti. Abbi fiducia nella Forza. Non tornare al Tempio…quel tempo è passato. E il nostro futuro è incerto. Ognuno di noi sarà sfidato. La nostra fiducia. La nostra fede. Le nostre amicizie. Ma dobbiamo perseverare. E col tempo emergerà una nuova speranza. Che la Forza sia con te, sempre”.

Obi Wan Kenobi

In questo articolo

Nella saga di “Star Wars”, il “Lato leggero della Forza” rappresenta il concetto diametralmente opposto al “Lato oscuro della Forza”. Il primo è adoperato dai Jedi o da altre figure positive per le quali la Forza rappresenta l’energia universale, sfruttata come arma di pace, conoscenza e difesa per il bene comune. Il secondo è popolare tra i Sith ed è alimentato dalle emozioni negative (e. g., la rabbia, la paura, l’aggressione). Rappresenta una Forza corrotta che mira egoisticamente al potere ed al dominio.

Questa lotta tra il bene ed il male si riflette anche nella nostra realtà. Come abbiamo visto nel capitolo precedente (“Passiamo Al Lato Oscuro – Volume I”), sia l’energia oscura che la materia oscura (ed ordinaria) si manifestano nella forza gravitazionale, con scopi diversi: la prima agisce come una gravità negativa, cioè tende a far espandere l’Universo, ed è controbilanciata dalla decelerazione causata dall’attrazione gravitazionale, caratteristica propria della seconda. Inoltre, la formula di Einstein $\left( E = mc^2 \right)$ garantisce automaticamente l’esistenza dell’energia oscura una volta che sia accertata la presenza della sua controparte materiale.

La materia oscura non emette, né riflette la luce, per cui non si può intercettare con i nostri rilevatori che si basano sullo spettro elettromagnetico (di cui vi abbiamo parlato nell’articolo “Raggi-X Per Applicazioni Biomediche”).

Poiché non si tratta di materia ordinaria, siamo in grado di stimare la natura delle particelle che la costituiscono? Inoltre, con le tecnologie che abbiamo a disposizione, come riusciamo ad individuare la presenza della materia oscura nello spazio? Scopriamolo insieme!

Come classificare la Materia Oscura?

Le teorie scientifiche riguardanti la materia oscura localizzano quest’ultima nel “nero” che circonda le stelle, distinguendola in:

Barionica: cioè la materia ordinaria costituita da protoni e neutroni. Non emette radiazioni.
possibili rappresentanti di questa famiglia includono:

  • Le Nane Brune (cioè stelle che non hanno mai incominciato a bruciare) o i pianeti del calibro di Giove;
  • Resti di stelle fredde (Buchi Neri, Stelle di Neutroni e Nane Bianche, cioè stelle che hanno finito di bruciare);
  • Polvere Interstellare;
  • Buchi Neri Primordiali (lascito del Big Bang).

Tutti questi esempi di materia oscura barionica sono denominati MACHOs (ossia Massive Compact Halo Objects). Questi oggetti, per loro natura, emettono una quantità di luce troppo scarsa per poter essere rilevati. La tecnica adoperata per intercettarli sfrutta il fenomeno del microlensing gravitazionale (schematizzato in Figura 1). Se un MACHOs si posiziona tra la Terra ed una stella, può provocare un apparente aumento di luminosità della stella con durata variabile (giorni o mesi). Il prefisso “micro” deriva dal fatto che la massa del MACHO non è sufficientemente grande da creare una lente gravitazionale. Tuttavia, tale misurazione potrebbe trarre in inganno, in quanto parecchi corpi celesti mostrano variazioni periodiche della loro luminosità.
Il numero totale di MACHOs rilevati è insufficiente a spiegare la velocità di rotazione della nostra galassia, motivo per cui essi non possono da soli rappresentare la totalità della materia oscura presente nel Nostro Universo.

Figura 1: Schema di funzionamento del microlensing gravitazionale nel caso di un buco nero (Fonte: pages. uoregon. edu).

Non Barionica: più “esotica” in quanto non è costituita da oggetti compatti, bensì da particelle tuttora ignote. È suddivisa, a sua volta, in:

  1. “calda” (relativistica, in quanto le particelle si muovono a velocità prossime a quelle della luce): le prime stelle a brillare agli albori dell’Universo dovevano essere necessariamente molto estese. Frammentandosi avrebbero poi generato oggetti più ridotti, come le galassie e gli ammassi stellari.
  2. “fredda” (non relativistica, in quanto le particelle si muovono a velocità molto inferiori a quelle delle luce): partendo da piccoli raggruppamenti di stelle (ammassi stellari e piccole galassie) forma strutture più complesse, come galassie più grandi che, a loro volta, si riuniscono in ammassi e superammassi di galassie (contenenti circa un migliaio di galassie legate gravitazionalmente). Queste macrostrutture altamente frammentate e filamentose di distribuzione della materia formano l’Universo attuale.

I possibili candidati di materia oscura calda sono i neutrini (vedi “Viaggio Nel Regno Quantico”).

Nella materia oscura fredda rientrano:

  • Le particelle WIMP (acronimo di Weakly Interacting Massive Particles, ossia particelle massive neutre debolmente interagenti). Si cercano prove delle loro esistenza nelle estensioni supersimmetriche del Modello Standard delle interazioni deboli (e. g., il neutralino ). In tali teorie si afferma che ogni particella possieda una sua “ombra” con spin diverso (e. g., se una particella ha spin semi-intero, la sua controparte ha spin intero e viceversa). Ciò significa che ad energie particolarmente elevate, la distinzione tra i due protagonisti del Modello Standard, Bosoni e Fermioni, viene meno. Tali particelle si addenserebbero in prossimità delle galassie a causa dell’attrazione gravitazionale.
    Le WIMPs (rappresentate in Figura 2) sono fino a 100 volte più pesanti dei protoni. Dallo scontro tra due WIMPs si generano radiazioni tradizionali, come ad esempio i raggi gamma (di cui vi abbiamo parlato nell’articolo “Primi Passi Nel Mondo Della Medicina Nucleare”).
  • Assioni, particelle introdotte come spiegazione delle interazioni forti tra particelle e come caposaldo nella teoria di superstringhe.
Figura 2: Schema sulla composizione particellare dell’Universo (Fonte: dsfc. univac. it).

Come rilevare la Materia Oscura?

Il metodo più semplice adoperato dai ricercatori per dimostrare l’esistenza della materia oscura è quello di rilevare i fotoni (vedi articolo “Primi Nel Passi Nel Mondo Della Medicina Nucleare”) o le particelle di luce che si generano quando le particelle di massa oscura si scontrano con la materia tradizionale. La ricerca finora ha puntato a particelle di materia oscura con masse pressocché paragonabili a quelle delle particelle elementari (di cui vi abbiamo parlato nell’articolo “Viaggio Nel Regno Quantico”), come ad esempio gli elettroni. Se le particelle oscure mostrano masse inferiori a quelle di un elettrone, gli attuali strumenti di misurazione non sono in grado di rilevarle.

Il dato positivo è che nessun esperimento testato finora ha riportato un’osservazione diretta della materia oscura, facendo sì che questa possa escludersi da specifici range di masse e forze di interazione già percorsi.

Nel caso delle particelle non barioniche di tipo WIMPs, quattro esperimenti sono attualmente al vaglio della ricerca:

  • Produrle mediante acceleratori di particelle: uno degli obiettivi del progetto triennale “Run 3” del Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra (vedi Figura 3), che cerca di far luce sulla natura della “Particella di Dio” (il Bosone di Higgs) e proverà ad individuare la parte di materia mancante (oscura) generata in seguito al Big Bang.
Figura 3: L’acceleratore di particelle Large Hadron Collider (LHC) del CERN (Fonte: ilbolive. unipd. it).
  • Produrle mediante acceleratori “cosmici”: sebbene il progresso tecnologico in questo settore sia notevole, le collisioni tra particelle degli acceleratori attualmente in uso o in costruzione non riescono a fornire un quantitativo di energia sufficiente a dimostrare la presenza della materia oscura. Infatti, tanto maggiore è la massa delle particelle che si cercano, tanto più elevata sarà l’energia richiesta nei test.
    Da qui l’idea di due fisici di Oxford e della John Hopkins University di sfruttare buchi neri supermassici (come quello stilizzato in Figura 4) come acceleratori di particelle naturali e a basso costo per proseguire nelle ricerche. Approfondiremo meglio l’argomento tra qualche settimana, solo dopo aver ricevuto un’infarinatura di base su questi giganti dello spazio.
Figura 4: Rappresentazione stilizzata di un buco nero supermassiccio (Fonte: reccom. org).
  • Misurazioni dell’energia che rilasciano negli urti con la materia ordinaria;
  • Annichilazione (di cui vi abbiamo parlato nell’articolo “Applicazioni Energetiche Della Relatività”) tra particelle di materia oscura presenti attorno al centro della galassia o del Sole (vedi Figura 5). Durante il fenomeno fisico dell’annichilazione, una particella (e. g., un elettrone e-) incontra la sua antiparticella (e. g., il positrone e+), cioè la particella con carica dello stesso valore ma di segno opposto. Entrambe le masse sono annullate e trasformate in energia (sotto forma di fotoni) secondo l’equazione di Einstein $E = mc^2$.
Figura 5: Produzione di particelle secondarie a seguito dell’annichilazione delle particelle di materia oscura (Fonte: marco-casolino. blogspot. com).

Superconducting Nanowire Single-Photon Detector (SNSPD)

Il Superconducting Nanowire Single-Photon Detector (SNSPD, ossia il Rilevatore di Fotone Singolo a Nanofilo Superconduttore) rappresenta un tipo di rilevatore a singolo fotone ottico che opera prossimo alla banda infrarossa (una delle regioni dello spettro elettromagnetico, di cui vi abbiamo parlato nell’articolo “Raggi-X Per Applicazioni Biomediche”). Il nanofilo superconduttore è impiegato per attenuare le distorsioni nella corrente quando il superconduttore decade allo stato di conduttore normale.

Tale apparecchio detiene dal 2023 il primato come rilevatore a singolo fotone più rapido e ad alta efficienza per il conteggio dei fotoni, mostrandosi particolarmente versatile nell’ambito dell’ottica quantistica.

L’SNSPD ha un ruolo strategico per gli esperimenti che puntano a rilevare la materia oscura, dove solitamente si impiega un cristallo di Arseniuro di Gallio (GaAs) scintillante come bersaglio. È costituito da un filo di superconduttore sottile (≈5 nm) e stretto (≈100 nm), con una lunghezza non superiore a qualche centinaio di micrometri.

Il rilevatore si basa sul principio di ”rottura della superconduttività”. Richiede una quantità minima di energia e segue un meccanismo di funzionamento ben preciso:

  1. Il nanofilo viene raffreddato fino a temperature ben al di sotto della sua temperatura critica $ \left( T_c \right) $, cioè la temperatura alla quale un materiale superconduttore passa dall’essere un conduttore normale di corrente ad un superconduttore propriamente detto;
  2. Polarizzazione (Biasing): al nanofilo viene applicata una corrente continua $ \left( I_b \right) $ che si avvicina alla corrente critica $ \left( I_c \right) $ del filo;
  3. Assorbimento del fotone: quando un fotone singolo colpisce il filo distrugge i portatori di carica elettrica nei superconduttori (le coppie di Cooper) portandolo così il nanofilo a perdere istantaneamente la sua superconduttività;
  4. Creazione di un “hotspot” resistivo localizzato: il nanofilo, comportandosi da normale conduttore, genera un aumento misurabile della resistenza elettrica;
  5. Impulso di rilevamento: il punto in cui si genera una resistenza localizzata forza la corrente a scorrere intorno ad esso, superando così la densità di corrente critica nell’area circostante e generando una barriera resistiva, a cui corrisponde un impulso di tensione misurabile.
    Solitamente, per stabilizzare il superconduttore, intorno ad esso sono posti dei tratti di conduttore normale (e. g., una matrice di rame o bronzo + filamenti di rame segregati), in modo da offrire una via alternativa al passaggio di corrente in presenza di hotspot localizzati, come schematizzato in Figura 6;
  6. Reset: il processo è reversibile, poiché, una volta eseguita la misurazione, il filo torna nuovamente allo stato superconduttivo nel giro di pochi nanosecondi, pronto ad intercettare il successivo fotone.
Figura 6: Stabilizzazione dei superconduttori (Fonte: W. Fietz, 2015).

L’SNSPD modificato per la ricerca della Materia Oscura

Un gruppo internazionale di ricerca presso l’Università di Zurigo (UZH) ha adoperato un SNSPD modificato (riportato in Figura 7) per capire se le particelle di materia oscura possono esistere in un ampio intervallo di massa al di sotto di un mega elettronvolt (MeV, cioè un milione di volte l’energia acquistata da un elettrone accelerato attraverso una differenza di potenziale di 1 Volt, come vi abbiamo descritto nell’articolo “Acceleratori Di Particelle Per Applicazioni Biomediche”). Per la prima volta lo strumento è riuscito a scendere ad una sensibilità prossima al 10% della massa di un elettrone, considerato un limite al di sopra del quale l’esistenza di particelle di materia oscura risulta piuttosto improbabile.

Al fine di massimizzare la sezione d’urto, i ricercatori di Zurigo hanno sostituito i nanofili con dei microfili superconduttori aumentando la sezione dei filamenti di 3 ordini di grandezza e imponendo al filo una sezione piana e sottile, significativamente sensibile ai cambi di direzione.

Quest’ultimo aspetto è senza dubbio rilevante, poiché, a detta degli scienziati, il nostro pianeta sembra attraversare un “vento” ricco di particelle di materia oscura.

Se migliorato ulteriormente, lo strumento potrebbe scendere verso soglie ancor più basse di sensibilità, prossimo ad intervalli in cui la presenza di particelle di materia oscura è più probabile.

Figura 7: L’SNSPD modificato dai ricercatori di Zurigo per ricercare la materia oscura (Fonte: UZH).

Conclusioni

Fin dall’alba dei tempi, gli uomini hanno cercato di vedere gli eventi fisici non come compartimenti stagni inesplicabili, bensì come parti interconnesse di un puzzle che regola l’ordine perfetto presente nell’Universo.

Ancora oggi, noi esseri umani vogliamo capire perché siamo qui e da dove veniamo.

Nei decenni successivi alla pubblicazione della Teoria della Relatività Generale di Einstein (1915), ha cominciato a prendere piede l’idea che il nostro Universo sia in espansione, che esso abbia avuto origine in un determinato momento del passato e che potrebbe, nel futuro, terminare il suo corso.

La materia e l’energia oscura possono rappresentare la principale risposta alle nostre domande, in quanto queste entità permeano da sempre la nostra realtà, rappresentano il collante che impedisce la disgregazione delle galassie e sono al momento costituite da particelle dalla natura ignota.

Tutte queste peculiarità portano la ricerca ad allargare il campo di studio verso regioni in cui la distinzione tra fisica subatomica ed astrofisica è molto labile ed i concetti che tradizionalmente abbiamo di “massa” ed “energia” sono molto più sfumati.

Ciononostante, questi aspetti continuano ad affascinarci ancora oggi, facendoci viaggiare con la fantasia (e forse con un po’ di fisica) verso campi del sapere tuttora inesplorati.

Ma abbiamo davvero detto tutto sulla materia oscura o c’è dell’altro? Vi aspettiamo tra qualche settimana per parlare di Stelle Oscure e di Buchi Neri. A presto!

Abbiamo stimolato la tua curiosità? Puoi saperne di più consultando le nostre fonti: