Particelle esotiche e materia oscura

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Gli aloni di materia oscura presenti nelle galassie.

Le recenti scoperte sulla composizione dell'Universo, ottenute grazie a studi tra di loro molto diversi come l'analisi delle anisotropie della radiazione di fondo, le misure sull'abbondanza degli ammassi di galassie, la nucleosintesi primordiale, isurvey di galassie) hanno evidenziato in modo molto convincente che l'Universo è composto per circa un terzo da materia oscura e per circa i due terzi da una inattesa forma di energia oscura. La materia ordinaria, formata da barioni, costituisce solo circa il 4 per cento del totale. Il fatto che misure tanto differenti concordino nel dire che l'Universo è piatto e composto principalmente da componenti esotiche (la materia oscura non barionica e l'energia oscura, appunto) è un risultato molto significativo e rappresenta una conferma della nostra nuova visione dell'Universo.

La materia oscura può essere spiegata da una particella elementare dotata di massa che, presente nell'Universo primordiale, si è separata dal plasma quando le sue interazioni con il plasma stesso sono diventate troppo deboli (fenomeno deldisaccoppiamento). Questa particella fossile, se sufficientemente abbondante, può costituire la materia oscura ed essere quindi responsabile della formazione di strutture galattiche. In realtà, per poter spiegare la formazione delle strutture è necessaria una particolare forma di materia oscura, detta "fredda": il candidato naturale per la materia oscura fredda è proprio una particella fossile massiva.


All'interno del Modello Standard delle interazioni fondamentali non esiste una particella che possa svolgere il ruolo di materia oscura fredda. Sono quindi necessarie estensioni di questo modello, estensioni che del resto sono attese per motivi teorici indipendenti dal problema della materia oscura.

Il modello Standard

Un'estensione molto importante del Modello Standard è rappresentata dalle teorie di Supersimmetria. Questa è una nuova simmetria che mette in relazione particelle dotate di spin intero (bosoni) con particelle dotate di spin semi-intero (fermioni). Nel modello supersimmetrico più semplice, a ogni particella del Modello Standard è associato un partner supersimmetrico, che possiede le stesse proprietà della particella standard ma spin diverso. Per esempio, all'elettrone (fermione di spin 1/2) è associato un selettrone (bosone scalare, cioè di spin zero). Le particelle supersimmetriche hanno tutte una massa molto più grande delle corrispondenti particelle del Modello Standard: infatti fino a ora nessuna particella supersimmetrica è stata osservata in Natura. La più leggera tra queste nuove particelle massive è però stabile (cioè, non decade) in molti modelli supersimmetrici: l'esistenza di una opportuna simmetria, chiama "R-parità", impedisce alla particella superimmetrica più leggera di decadere e questa proprietà la rende automaticamente un candidato per la materia oscura. Si tratta quindi di capire quale sia la particella supersimmetrica più leggera (LSP, da light supersymmtric particle). Questo dipende da proprietà teoriche dei vari modelli supersimmetrici collegate al modo in cui le particelle supersimmetriche acquisiscono la loro massa.


Riassumendo, senza entrare nei dettagli tecnici, esistono due grandi classi di modelli: in una di queste classi la LSP è il gravitino; nell'altra è il neutralino. Il gravitino è il partner supersimmetrico del gravitone, il bosone di spin 2 che nel modello standard è responsabile delle interazioni gravitazionali. Il gravitino è quindi un fermione, anch'esso dotato di interazioni di tipo principalmente gravitazionale. Le sue caratteristiche lo rendono un possibile candidato di materia oscura, anche se con qualche difficoltà. La sua debolissima interazione lo rende anche molto difficile da osservare, nel caso sia esso responsabile della materia oscura che ci circonda.


Il neutralino è invece un candidato molto più appetibile, in quanto spiega in modo molto naturale il problema della materia oscura in una vasta categoria di modelli supersimmetrici, e presenta possibilità di osservazione potenzialmente accessibili. Questa particella è il partner supersimmetrico dei bosoni neutri presenti nel modello standard, ossia del fotone, del bosone Z (entrambi con spin 1 e responsabili rispettivamente dell'interazione elettromagnetica e debole neutra) e dei due bosoni di Higgs (spin 0: qui è presente una piccola modifica rispetto al Modello Standard, che possiede un solo bosone di Higgs, ma è una modifica necessaria per avere una teoria supersimmetrica).


Il neutralino è quindi un fermione neutro di spin 1/2 (un po' come il neutrino, ma con una massa molto più grande) dotato di interazione debole. Quando si parla di partner del fotone, il neutralino prende anche il nome di fotino: questo rappresenta una caso particolare di neutralino (così come si parla anche di "zino" o di "higgsino" negli altri casi). In neutralino è al momento il candidato di materia oscura più interessante (e anche il più studiato) tra tutti quelli proposti.


Un caso un po' diverso è quello dell'assione. Questa particella non compare nei modelli supersimmetrici: la sua esistenza è stata ipotizzata per trovare soluzione a un problema presente nel modello standard legato alla violazione della simmetria CP nel settore delle interazioni forti. È quindi un tipo di particella diversa dalle precedenti, soprattutto è molto più leggera, per esempio dei neutralini. Sono però possibili meccanismi particolari, avvenuti nell'Universo primordiale, che permettono all'assione, pur essendo molto leggero, di costituire la materia oscura.


I neutralini, i gravitini e gli assioni sono le tre alternative che al momento appaiono come le più probabili per spiegare la materia oscura. Molte altre però sono state proposte, come per esempio gli"sneutrini" (i partner supersimmetrici del neutrino), che però riescono a spiegare la materia oscura solo in opportuni modelli, oppure gli"assini", che non sono altro che i partner supersimmetrici degli assioni.


Per quanto riguarda il problema dell'energia oscura, invece, nessuna delle particelle sopra descritte è in grado di spiegarne l'origine. Questa componente dell'Universo ha infatti proprietà molto particolari: è uniformemente diffusa in tutto l'Universo (non è quindi responsabile della formazione delle strutture cosmiche, come invece la materia oscura) ed ha la proprietà di determinare un'accelerazione all'espansione dell'Universo (contrariamente alla marteria, sia ordinaria che oscura, che invece determina una decelerazione dell'espansione). I candidati più accreditati a questa forma di energia oscura sono attualmente dei campi scalari molto leggeri, le cui proprietà dinamiche sarebbero tali da far sì che questo campo scalare sia sottodominante per larga parte dell'evoluzione dell'Universo (così da non creare problemi alle fasi evolutive per le quali sappiamo con buona certezza che l'evoluzione era dominata dalla presenza di radiazione o di materia ordinaria, come durante la nucleosintesi oppure al tempo di formazione della radiazione cosmica di fondo), mentre invece diventa la componente dominante soltanto in tempi molto recenti, così come evidenziato dalle osservazioni. Esistono vari modelli nei quali un campo scalare molto leggero è in grado di spiegare l'energia oscura. Siamo tuttavia ancora all'inizio dell'indagine del fenomeno e un candidato principale non è ancora stato identificato.


Spiegazioni alternative all'esistenza della materia oscura e dell'energia oscura potrebbero risiedere, per esempio, in modifiche della proprietà note della gravità. Per esempio, la presenza di materia oscura su scala galattica si evidenzia attraverso il suo effetto gravitazionale: una variazione della gravità newtoniana su quelle scale di distanza potrebbe forse spiegare la dinamica galattica senza necessità di invocare la presenza di materia oscura. Esistono teorie in questo senso, ma appaiono al momento poco motivate dal punto di vista teorico e presentano problemi interpretativi di difficile soluzione. La presenza di materia oscura sotto forma di una particella elementare rimane, al momento, l'ipotesi più accreditata. Ancora più difficile, al momento, sembra essere la spiegazione dell'accelerazione dell'Universo senza invocare la presenza di una forma di energia oscura, che risulta quindi il candidato più naturale per spiegare questo fenomeno.