Provate a chiedere agli scienziati più importanti al mondo cos’è la materia oscura. Otterrete, probabilmente, risposte piuttosto confuse. E, soprattutto, non concordanti tra loro. Perché, fedele al nome che le è stato affibbiato, questa sfuggente sostanza – che si pensa permei la maggior parte dell’Universo – è ancora tutta da scoprire. La testimonianza più recente di quanto la comunità scientifica sia ancora confusa viene dall’esperimento Large Underground Xenon (Lux), una delle più grandi collaborazione scientifiche al mondo alla ricerca di evidenze dirette dell’esistenza della materia oscura. L’équipe di Lux ha appena dichiarato di “non aver visto niente” in tre mesi di attività. “Ma lo abbiamo fatto meglio di chiunque altro”, racconta ironicamente a Wired.com Daniel McKinsey, fisico delle particelle a Yale e membro della collaborazione.
Molti scienziati speravano che i risultati avrebbero aiutato a fare un po’ di chiarezza nel complesso puzzle della materia oscura, finora pieno di conclusioni confuse e spesso contraddittorie. Ma, in realtà, la scoperta non è così deludente come può sembrare. I fisici useranno il risultato nullo di Lux per porre nuovi limiti al tipo di materia oscura che forse, un giorno, si potrebbe scoprire. I dati presentati, tra l’altro, sembrano escludere parzialmente i risultati di esperimenti precedenti, che sembravano aver intravisto qualche indizio dell’esistenza della bizzarra materia: “Si pensava che qualcosa fosse in gioco, ma è stata eliminata”, sostiene un altro collaboratore di Lux, il fisico Richard Gaitskell della Brown University. Altri ricercatori, dal canto loro, difendono le proprie scoperte: è probabile quindi che il dibattito continui a lungo, almeno finché non si avrenno a disposizione nuove informazioni.
Perché è così importante trovare la materia oscura? Semplicemente per il fatto che, stando a quello che osserviamo nell’Universo, dovrebbe essere ovunque. Le equazioni suggeriscono che l’unico motivo per cui le stelle ruotino nelle galassie è la presenza di una grande massa invisibile attorno a esse: motivati da quest’osservazione, gli scienziati hanno calcolato che per ogni protone, neutrone o altra particella ordinaria ce ne debbano essere almeno cinque di materia oscura. Le hanno chiamate Wimp, cioè Weakly Ineracting Massive Particles(particelle massive debolmente interagenti) – e lo sono davvero. Tanto per dare un’idea, basti pensare che, se si avesse a disposizione un cubo di piombo con gli spigoli di 200 anni luce, una particella di materia oscura avrebbe il 50% di probabilità di passarvi attraverso senza interagire con nulla.
È per questo motivo che è così difficile vedere la materia oscura. Lux, come la maggior parte degli esperimenti, usa il cosiddetto principio dell’aspetta-finché-non-succede-qualcosa. Il rivelatore è composto da un numero enorme di atomi di xeno, un elemento molto stabile e insensibile a reazioni chimiche esterne che potrebbero dar fastidio alla rivelazione. L’idea è che una particella di materia oscura potrebbe strappare un elettrone dagli atomi di xeno, che Lux rivelerebbe come cambiamento nella carica. Oppure potrebbe eccitarne uno, facendo sì che, tornando allo stato non eccitato, lo xeno emetta un fotone, creando un piccolo lampo di luce rilevabile da uno dei 122 fotomoltiplicatori di Lux.
In ogni caso, finora l’esperimento non ha visto niente di tutto ciò. Gli scienziati che lavorano nel campo della materia oscura sono più o meno divisi in due categorie: quelli che ritengono che le Wimp siano relativamente pesanti e quelli convinti che siano piuttosto leggere. Pesante, in questo caso, vuol dire circa 100 GigaelettronVolt (GeV), cioè cento volte più di un protone. Le Wimp pesanti sono predette dalla cosiddetta teoria della supersimmetria, secondo la quale esistono altre particelle rispetto ai già noti quark, neutrini, elettroni e così via. Così, se un rivelatore dovesse scoprire una Wimp pesante, sarebbe una doppia vittoria per la scienza: si troverebbe in un sol colpo l’evidenza sperimentale dell’esistenza della materia oscura e della correttezza della teoria supersimmetrica, che secondo molti rappresenta la sfida più grande per la fisica.
Altri scienziati, invece, sono convinti che la materia oscura sia molto più leggera. Sebbene non siano predette da alcuna teoria particolare, le Wimp leggere sono già state osservate da qualcuno. O, almeno, così sembra. La collaborazione Coherent Germanium Neutrino Technology (CoGeNT), per esempio, ha rilevato un segnale compatibile con una particella di materia oscura di massa compresa tra 7 e 11 GeV. Un’altra équipe, la Cryogenic Dark Matter Search (Cdms), ha dichiarato di aver individuato tre particelle di materia oscura che hanno, più o meno, la stessa massa. Sono risultati incoraggianti per i teorici delle Wimp leggere, ma restano, per ora, semplici indizi.
Il compito di Lux doveva essere proprio quello di far luce in queste tenebre. Purtroppo, non è stato così. È molto più grande di tutti gli altri esperimenti, il che implica una maggiore sensibilità di rilevare materia oscura e una migliore schermatura da possibili particelle randage che potrebbero essere confuse con quello che si sta davvero cercando. Il rivelatore è infatti stato posizionato a oltre un chilometro di profondità nel sottosuolo, in quello che è “il posto più tranquillo della Terra”, secondo Gaitskell. Una miniera del South Dakota, la Sanford Underground Research Facility. Il fatto che sia così isolato aiuta a tener lontane le particelle ordinarie che arrivano dall’Universo sotto forma di raggi cosmici. Inoltre, lo xeno è circondato da un serbatoio d’acqua che funge da scudo. E, come se non bastasse, il rivelatore è fatto di materiali che non emettono molte radiazioni – titanio e teflon – e guarda solo al centro dello xeno, perché gli atomi esterni potrebbero essere comunque colpiti da particelle che hanno superato tutte le barriere.
Secondo l’équipe di Lux, il loro rivelatore è il doppio più sensibile alle Wimp pesanti e venti volte più sensibile alle Wimp leggere rispetto al concorrente Xenon 100. Il risultato preliminare, dunque, sembra suggerire che la ricerca di materia oscura leggera potrebbe essere arrivata alla fine: “Se i tre eventi rivelati da Cdms fossero stati davvero Wimp leggere”, continua Gaitskell, “Lux avrebbe dovuto vederne almeno 1.600”. Cosa che, evidentemente, non è successa. Ma, nonostante tutto, i sostenitori della teoria delle Wimp leggere non demordono. Secondo Juan Collar, a capo di CoGeNT, per esempio, il fatto che si usino atomi di xeno, 131 volte più pesanti di un protone, rende Lux molto più sensibile alle Wimp pesanti che a quelle leggere. Anche Johnatan Feng, della University of California, Irvine, è dello stesso parere: “Comparare il tasso atteso di rilevazione delle particelle con cristalli di germanio, come quelli di CoGeNT e Cdms, con quello dello xeno è come confrontare mele con arance”, ha detto lo scienziato.
La conclusione, dunque, è quella consueta dopo la pubblicazione di risultati controversi: servono più dati. Cdms e CoGeNT sono ancora in funzione; Lux acquisirà nuove misure; sono in costruzione due rilevatori ancora più grandi, che dovrebbero essere attivi tra qualche anno. “La situazione, auspicabilmente, diventerà chiara tra cinque-dieci anni”, conclude Fang.
Credits immagine: luxdarkmatter/Flickr
Via: Wired.it
