La settimana scorsa tutta la comunità scientifica ha passato momenti di grande suspance ed eccitazione, nell’attesa che venissero rilasciati i risultati ufficiali della collaborazione CDMS (Cryogenic Dark Matter Search).
Nel profondo di Soudan, una vecchia miniera abbandonata nel nord del Minnesota alcuni scienziati che lavorano su questo esperimento, per primi hanno dichiarato pubblicamente di aver visto l’invisibile, ovvero di aver rivelato, per la prima volta in maniera diretta, particelle di Materia Oscura.
Giovedì 17 io, come molti altri fisici di tutto il mondo, ho passato parte della serata ascoltando in streaming la dichiarazione, trasmessa in diretta mondiale, in cui la rappresentante di CDMS Jodi Cooley ha ilustrato come siano riusciti a distinguere 2 eventi, nel corso di un anno di presa dati, sul mezzo evento che si aspettano a causa del rumore di fondo.
Ma facciamo un po’ marcia indietro, plachiamo l’emozione, e cerchiamo di capire il valore di questa scoperta.
In passato ho già avuto occasione di parlare di Materia Oscura, in particolare lo scorso Aprile, quando il satellite Pamela, per la maggior parte italiano, ha osservato un’eccesso di positroni. Questi positroni in eccesso potrebbero essere prodotti dalla Materia Oscura presente nella nostra Galassia.
Ma che cos’è la Materia Oscura e perché crediamo che esista?
La storia della fisica ci insegna che spesso si deve intuire l’esistenza di una nuova legge fisica o di un nuovo fenomeno attraverso i suoi effetti su un altro fenomeno. Per esempio nella prima metà dell’Ottocento, gli astronomi osservarono uno strano comportamento nell’orbita di Urano e supposero che questo comportamento anomalo fosse dovuto all’esistenza di un altro pianeta. Infatti, qualche anno dopo, nel 1846, venne scoperto Nettuno.
Non sempre la soluzione è dietro l’angolo, però, infatti le anomalie nell’orbita di Mercurio non potevano venir spiegate con un altro pianeta (che aveva già un nome: Vulcano), e si è dovuto far ricorso alla Relatività Generale di Einstein per poterle comprendere.
Simili osservazioni sono alla base delle prime ipotesi di esistenza della Materia Oscura. Infatti l’osservazione delle galassie a spirale (quelle come la nostra, per intenderci) ha fatto notare agli astrofisici che la loro velocità di rotazione è molto maggiore di quella che ci si dovrebbe aspettare stando alle leggi Newtoniane dei corpi celesti, come si può vedere nella figura sottostante.
In particolare quest’osservazione suggerisce che nelle galassie vi è molta più materia di quella che possiamo misurare osservandola direttamente nella banda ottica.
Certo, questo non vuol dire che questa materia extra sia tanto speciale, potrebbe essere anche solo buia, come per esempio sono i pianeti o delle stelle spente chiamate nane brune.
La nostra conoscenza dell’Universo ci fa sospettare che tali elementi non siano di gran lunga sufficienti per giustificare una tale differenza di massa, poiché dal grafico che vedete si capisce che la massa “buia” è diverse volte superiore alla massa luminosa.
Questo inidizio non è stato l’unico che l’Universo ci ha fornito per sospettare l’esistenza della materia oscura. Un altro, e molto spettacolare indizio è il fenomeno della “lente gravitazionale”. La Relatività Generale di Einstein ci dice come lo spazio si curvi attorno ad una massa molto abbondante. Come se appoggiassimo un masso pesante su un lenzuolo teso, così un ammasso di stelle “affonda” nello spazio piegandolo sotto di se.
L’effetto può essere osservato dalla Terra notando come certe galassie lontane appaiano distorte se tra noi e loro c’è una quantità notevole di materia. Possiamo vedere l’effetto nell’immagine che ho inserito qui sotto. In questa figura si vede in blu la distribuzione di Materia Oscura intuita a partire dalla distorsione delle galassie che si vedono nello sfondo.
Anche in questo caso, però, non abbiamo prove che questa materia sia speciale, sappiamo solo che c’è e che è invisibile tramite osservazioni nella banda elettromagnetiche.
Ma la ricerca non si è fermata qui!
Satelliti che misurano il fondo cosmico a microonde dell’Universo sono in grado di spiegare in grande dettaglio la composizione e lo sviluppo dell’Universo a partire da 300mila anni dopo il Big Bang. Le migliori osservazioni fatte finora sono quelle del satellite WMAP, ma ormai stiamo già ottenendo informazioni molto più precise dal satellite europeo Planck, come ho già spiegato in un post di qualche mese fa.
In particolare, la comprensione del fondo cosmico a microonde e le sue oscillazioni in fase di formazione, ci possono dare informazioni interessantissime sulla composizione dell’Universo. Sono stati quindi posti dei limiti sulla quantità di barioni presenti nell’Universo. I barioni solo le particelle di materia che noi conosciamo, ovvero quelle che hanno interazione elettromagnetica. I protoni, neutroni, elettroni e così via.
Tutto quello che ci circonda e che vediamo coi nostri occhi e con i nostri strumenti. Ebbene, tutto questo non è che il 4% del totale dell’Universo! Sappiamo inoltre che solo il 23% del resto è materia, ovvero è composto di particelle massive, mentre la maggior parte dell’Universo è composto di energia, chiamata Energia Oscura poiché non siamo in grado di vederla e, al momento, ci è molto difficile anche solo comprenderla.
Abbiamo già le nostre difficoltà a capire e osservare la materia visibile. Quello che sappiamo della Materia Oscura è che è non barionica e non ha interazione elettromagnetica con la materia ordinaria. Sappiamo anche che deve essere stabile, cioè non deve decadere velocemente, poiché ne vediamo la presenza ancora oggi a partire dalla formazione dell’Universo stesso.
Inoltre considerazioni cosmologiche ci suggeriscono che la maggior parte di essa sia “fredda”, ovvero avesse velocità non relativistiche durante la formazione delle macro strutture dell’Universo. Quest’ultimo punto è molto importante, perché esclude la possibilità che la Materia Oscura sia composta di neutrini, come si è proposto per un certo periodo.
Ma allora, di che cosa è fatta questa Materia Oscura? Beh, ci sono molte teorie, alcune molto astruse, altre più comprensibili. Una delle più accreditate va a pescare i candidati di Materia Oscura nel modello Supersimmetrico dell’estensione del Modello Standard (Minimal Supersymmetric Standard Model). In questo caso vengono considerate delle particelle chiamate Neutralini, che sono le particelle più leggere predette da questo modello. Esse vengono anche chiamate WIMPs (Weakly Interactive Massive Particles) a causa della loro caratteristica di possedere una massa ma di interagire pochissimo.
Un po’ però interagiscono, ed è proprio sfruttando questo che vorremmo osservarle. È difficile però, perché non interagiscono con la materia ordinaria tramite le forze fondamentali, per cui dobbiamo inventarci un altro sistema per vederle. Un modo è osservarle in maniera indiretta. Per esempio è quello che ha cercato di fare il satellite Pamela. Infatti queste particelle vengono accumulate nel centro di oggetti massivi, come il Sole o il Centro della Galassia.
A lungo andare raggiungono una densità elevata, tanto da scontrarsi tra di loro. Quando questo accade vi è una bassissima ma non nulla probabilità che annichiliscano ed emettano particelle “standard” che possono essere rivelate dai nostri strumenti.
Un altro metodo invece è l’osservazione diretta. In questo caso si costruisono volumi di gas nobili, come l’Argon o lo Xenon, e si schermano da qualsiasi altra sorgente.
Si aspetta che un neutralino passi per il detector e che si “scontri” con un nucleo del gas. In questo caso sarà possibile osservare il rinculo del nucleo in questione e capire quindi che ha subito una collisione con una particella di Materia Oscura. L’esperimento CDMS ha un approccio leggermente diverso, poiché invece di utilizzare gas nobili usa un rivelatore fatto di cristalli di germanio e silicio criogenizzati.
Anche in questo casi il rivelatore è messo al riparo da sorgenti di rumore, essendo sotto un profondo strato di roccia equivalente a diverse migliaia di metri di acqua. In questo modo i raggi cosmici, ovvero le particelle cariche provenienti dallo spazio sulla Terra, hanno una probabilità estremamente bassa di raggiungere il rivelatore.
La criogenizzazione assicura un bassissimo livello di rumore elettronico, tanto che in totale il rumore è stimato ad un evento misurato ogni due anni di osservazioni. La conferenza stampa dell’altra sera ha confermato che sono stati osservati due eventi iin un anno. In realtà, la probabilità di vedere due eventi in un anno a causa del rumore e del background rimane del 23%, per cui circa un quarto.
In fisica, purtroppo il 77% di sicurezza non e sufficiente per poter dichiarare una scoperta, ma rimane di sicuro un’osservazione di estremo interesse (soprattutto per chi fa richiesta di fondi per questo tipo di esperimenti…). Possiamo dire che, anche se non con assoluta certezza, i primi eventi di osservazione della materia oscura sono sempre più a portata di mano, quindi il titolo del post è quanto mai vero: la Materia Oscura comincia a non essere più tanto oscura…
Impressionante!!!
ciao sei bravissima!!
mi puoi spiegare meglio la foto (numero2) della distribuzione in blu della materia oscura intuita, che viste le mie conoscenze non riesco a intuire??grazie
Davvero un bell’articolo :)
Complimenti Eleonora, apprezzo sempre tantissimo chi mi riesce a spiegare in modo “umano” la fisica. Grazie!
Se c’è tanta materia ed energia oscura nell’universo, è plausibile pensare che la fine del nostro universo sarà effettivamente un Big Crunch, anziché un eterno e sempre più freddo universo che si espande indefinitamente?
mi piacciono sempre i tuoi articoli continua a tenerci informati!! alla grande!
Cesare di Mauro ha scritto :
“Se c’è tanta materia ed energia oscura nell’universo, è plausibile pensare che la fine del nostro universo sarà effettivamente un Big Crunch, anziché un eterno e sempre più freddo universo che si espande indefinitamente?”
Sfortunatamente non esiste soltanto la materia oscura (che costituisce una parte minoritaria della massa dell’universo insieme alla massa visibile) ma ce’ sopratutto l’energia oscura che costituisce secondo i fisici qualcosa come oltre il 70% della massa restante e che sarebbe in parte responsabile dell’espansione dell’universo.
Chi la vince, ma materia oscura o l’energia oscura ?
Ciao,
Ho reinserito i links che si erano persi quando ho caricato l’articolo….
l’idea dell’immagine 2 è che la materia luminosa è stata osservata nella banda a raggi X e si vede in falsi colori in rosa. Per la relatività di Einstein sappiamo che le immagini nello sfondo vengono distorte in base alla quantità di massa che c’è tra noi e l’immagine stessa. La materia “rosa” non è sufficiente per spiegare la distorsione osservata, per cui si è intuita la presenza della materia oscura, ottenuta tramite simulazioni al computer e rappresentata dalla zona blu.
Per il Big Crunch… beh, le osservazioni di WMAP e degli altri esperimenti di fondo cosmico a microonde ci hanno detto con certezza che il rapporto tra la densità di materia presente nell’universo e la densità “critica” è esattamente 1, per cui non c’è il big crunch…ma su questo sarebbe da scrivere (almeno) un altro post…
bell´articolo complimenti ed ora delle domande da chi purtroppo non ci capisce molto:
é plausibile che noi (materia visibile) ci si possa scontrare con la materia oscura??
es. la terra che investe una quantitá di questa materia?? (pianeta oscuro o nebulosa oscura o chi sa cosa)
non é che questi “incontri” avvengano di continuo a nostra insaputa??
valgono per essi le “normali” leggi della fisica (newton, relativistiche, quantistiche) ?
Grazie e Buon NATALE
@goldorak & Eleonora: grazie a entrambi per le risposte. A questo punto aspetto un articolo sull’argomento, che a mio avviso è particolarmente affascinante. :)
Complimenti Eleonora!
leggo costantemente i tuoi articoli e devo dire che resto sempre affascinato dalla qualità delle tue conoscenze e dalla semplicità con cui riesci a rendere chiaro anche ai profani ciò che spieghi!
continua così, che i tuoi articoli si leggono da soli!
CIao Eleonora.
Seguo spesso questi articoli e vorrei farti i complimenti.
Ma ho una domanda (essendo anche io fisico, o quasi).
Come fanno a sapere che quegli eventi visti non siano eventi dovuti alla collisione di un atomo con un banale neutrino solare o simile?
Come fanno a sapere che si tratta proprio di una particella di DM?
Grazie.
Riccardo
Tenete sempre presente una cosa:
Tutte le percentuali vengono definite in base ad una presupposizione di ciò che dai calcoli risulta essere probabile…
il fatto è che (in senso figurativo): Noi umani (formiche) con le nostre conoscienze e tecnologie pensiamo di potere quantificare (dare percentuale) ad un qualcosa del quale non riusciamo a dargli una dimensione (grandezza) definita… ovvero, noi formiche (abitanti di una piccola zolla) presupponiamo quanto sia grande la terra… ma in realtà è ben oltre le nostre capacità tecnologiche e logiche (sia in quanto formiche che umani).
Spero di essere stato abbastanza esplicativo.
Ciao.
A me la teoria della materia oscura e dell’energia oscura non torna per niente… corsi e ricorsi storici
Mi sembra di ritornare nel 1800 quando tutti pensavano che dovesse esistere per forza l’etere per far propagare la luce. Tutte le osservazioni sperimentali non quadravano con la teoria corrente e come derivazione veniva fuori l’esistenza dell’etere.
Poi è stata creata una nuova teoria e l’etere si è dissolto nel nulla.
Oggi mi sembra di essere allo stesso punto: dalle osservazioni vediamo il 4% dell’universo e per giustificare il restante 96% con la teoria corrente ci siamo dovuti inventare la materia oscura e l’energia oscura.
Sogno l’arrivo di nuovi Lorentz, Poincaré, Maxwell, Einstein per farci stupire tutti con una nuova e rivoluzionaria teoria che spiegherà le osservazioni senza far ricorso a materie o energie oscure.
Da quello che ho letto, la materia oscura tende, come la materia ordinaria, a “frenare” l’espansione dell’universo.
Il fatto però è che nel “nostro” universo l’energia oscura è di gran lunga preponderante e tale forma di energia tende, con il passare del tempo, ad acelerare l’espansione dell’universo.
Quindi, rebus sic stantibus, il destino ultimo dell’universo è di fatto un’espansione infinita, sempre più veloce, fino alla sostanziale morte “termica”. La grossa sorpresa che hanno avuto i fisici è l’esistenza di questa energia oscura e la natura “bizzarra” (non ordinaria) della materia oscura.
Ammettiamo per esempio che esistano sia l’energia oscura che la materia oscura, quale vantaggio otterremmo sapendo che ci sono? Mi spiego: io so che un determinato oggetto esiste, quindi si trova in un luogo reale, ma date le mie limitate conoscenze non so né di cosa sia fatto, né per cosa possa essere utilizzato, che me ne faccio?
Per quanto riguarda l’energia, invece, io credevo fosse qualcosa di astratto: “1 joule esprime l’energia usata per esercitare una forza di un newton per una distanza di un metro” quindi se ne vedono gli effetti, è impossibile vedere l’energia in modo diretto. Ecco, quello che mi chiedevo è: com’è possibile vedere qualcosa di astratto se non si sa nemmeno quali possano essere gli effetti?
Bell’articolo. Ma…
“I barioni solo le particelle di materia che noi conosciamo, ovvero quelle che hanno interazione elettromagnetica. I protoni, neutroni, elettroni e così via.”
Gli elettroni sono barioni!? :O
@ #H
Riuscire a “vedere” la materia oscura implicherebbe la certezza che esiste materia che non emette radiazione elettromagnetica in nessuna lunghezza d’onda… Da qui comincerebbe lo studio sul perchè materia non emetta radiazioni etc etc… Come per la maggior parte della fisica degli ultimi decenni, non sappiamo ancora a cosa potrebbero servire le scoperte che vengono fatte.
Riguardo l’Energia oscura… beh, si sanno quali sono gli effetti: l’eventuale presenza di energia oscura nell’Universo implicherebbe un’accelerazione dell’espansione dello stesso, poichè l’energia oscura dovrebbe contrastare la forza di gravità di materia ed energia “visibili”. E l’accelerazione dell’espansione dell’universo è stata osservata già nel 1998 con lo studio delle Supernovae IA e da allora queste
osservazioni sono state supportate da molte fonti indipendenti.
@ Midget
Per ora le ipotesi di Materia ed Energia Oscure sono quelle più accreditate per spiegare quel 96% perchè sono in accordo con ciò che prevede la Relatività Generale… però si stanno sviluppando nuove interessanti teorie (quella più interessante è la Teoria delle Stringhe)… Vedremo se saranno in grado di spiegarci meglio della Relatività quel restante 96% dell’Universo!
@ #H
l’Ulisse di Dante disse:
“Fatti non foste a viver come bruti, ma per seguir virtude e canoscenza”.
@Guido
Hai ragione, mi è sfuggito per pigrizia nello spiegare la differenza tra barioni e leptoni ;)
i tuoi articoli sono fenomenali, dal primo all’ultimo!
Mia madre ride perchè secondo lei basterebbe analizzare la mia testa per scoprire cos’è veramente la materia oscura! :D :D
Scherzi a parte, bell’articolo, sono temi così affascinanti e interessanti, chissà se un giorno ne sapremo veramente di più…
Un dubbio: non penso che sia possibile schermare l’esperimento anche dai neutrini, non diventano una sorgente di fondo significativa? Possono distinguere i segnali dei neutralini da quelli dei neutrini?
I neutrini non sono così facili da vedere (purtroppo….altrimenti il mio dottorato sarebbe già bello e finito…:( ). In particolare i neutrini hanno solo interazione debole, ovvero quando interagiscono con un nucleo vengono assorbiti e il nucleo emette un leptone corrispondente al neutrino (muone per il neutrino muonico e così via). Il fenomeno è molto diverso da quello del neutralino che invece “rimbalza” sul nucleo depositando energia. In questo senso i due segnali sono molto diversi e anche i rivelatori che vengono costruiti per osservare le due particelle sono molto diversi. Per rivelare un neutrino servono volumi estremamente maggiori.
Articolo molto ben fatto; io, però, sono più in linea col commento 14 di “midget”, qui sopra.
In ogni caso, la materia oscura ha una carta d’identità davvero bizzarra: è densa, pesante, trasparente, scura ed invisibile!
Inoltre, pur dovendo dare fortissime influenze gravitazionali, non collasserebbe, standosene invece intorno alle galassie, o
chissà dove…
(Ed è pure “costoso” ricercarla.)
Quanto penso io della (ingiustificabile) materia oscura è riportato, ad esempio, al seguente link:
http://vixra.org/pdf/1112.0082v1.pdf
(GETTING RID OF DARK MATTER AND FOURTH DIMENSION)
(pagine 6 ed 11)
ed anche su questo:
(WHAT A COINCIDENCE! STRANGE NUMERICAL LINKS IN THE UNIVERSE)
http://vixra.org/pdf/1112.0093v1.pdf
(pagine 2 e 5)
Ciao.
Leonardo Rubino.
leonrubino@yahoo.it
Ciao,
“Un duro colpo alle teorie sulla Materia Oscura?”, al seguente link:
http://www.eso.org/public/italy/news/eso1217/
Io personalmente, del resto, non vedevo alternative:
http://www.altrogiornale.org/news.php?item.7662.8
Se può interessare lo scenario in cui la materia oscura, oltre che non plausibile, è pure inutile, suggerisco la seguente lettura:
http://www.mednat.org/misteri/Legge_Hooke_base_universo_Rubino_Leonardo.pdf
Saluti.
Leonardo Rubino.
leonrubino@yahoo.it
PS: se ipotizzare la materia oscura è stato l’errore A, il mettere in discussione Newton sarà l’errore B!
La cosmologia “occulta” della materia oscura e dell’energia oscura deve andare a casa, e alla svelta.
Con un 95% e fischia di oggetti che non si vedono, l’Universo “ufficiale” ha infatti più a che fare con l’occultismo che con la razionalità.
MA COME SI FA A DAR FIDUCIA AD UN AMMINISTRATORE CHE È IN GRADO DI RENDER CONTO DI MENO DEL 5% DEL PATRIMONIO AMMINISTRATO, SENZA CONSIDERARLO POCO COMPETENTE?
Mah, chi lo sa.
Ciao.
Leo.
http://rinabrundu.files.wordpress.com/2012/06/lavvocato-hubble-e-la-presunta-espansione-delluniverso.pdf