Il Modello Standard della fisica delle particelle è la teoria che cerca di spiegare la struttura dell'infinitamente piccolo e dell'Universo nel suo insieme: in base a questa visione, materia e antimateria si formarono in eguali quantità, con il Big Bang.
L'antimateria è... come la materia, tranne che per la carica elettrica, che è opposta. Un esempio: un "elettrone" di antimateria, chiamato positrone (o antielettrone) ha carica positiva, anziché negativa (naturalmente è tutto relativo: positivo e negativo sono convenzioni, ma questo non cambia il fatto che parliamo di cariche opposte). Se materia e antimateria vengono a contatto, annichiliscono, ossia si riducono al nulla in un evento catastrofico che produce energia pura.
A questo punto, e per quanto siano banali, ecco le domande inevitabili: dov'è finita l'antimateria? Se erano in eguali quantità, perché una è scomparsa (anche se forse non del tutto, pensano alcuni) e l'altra ha pervaso tutto ciò che conosciamo?
Una strada nuova. Per quanto "forte", il Modello Standard (la Meraviglia Suprema, a detta di alcuni fisici) sembra non poter rispondere, perciò capire la "situazione attuale dell'Universo" - compresa la mancanza di antimateria - e colmare alcune lacune della nostra principale teoria è la vera sfida che vede in campo scienziati di varie discipline.
Una delle possibilità è quella di ipotizzare (e poi tentare di trovare) nuove particelle che possano spiegare le discrepanze, come nel caso dell'ipotesi nota come Two Higgs Doublet Model (2HDM), che vorrebbe aggiungere quattro particelle al Modello Standard.
Al momento sembra che questa linea di pensiero sia in accordo con le osservazioni realizzate grazie all'LHC del Cern, l'acceleratore di particelle attualmente più grande e potente al mondo. Tuttavia, ancora non riesce a spiegare lo squilibrio tra materia e antimateria.
Percorrendo questa strada, un nutrito gruppo di ricercatori di diverse università (della Norvegia, Finlandia, Olanda e Usa) si è proposto di affrontare il problema da un punto di vista differente. I risultati dello studio sono stati pubblicati su Physical Review Letters.
Meno variabili per favore! Il tutto parte dall'ipotesi, finora confermata dalla maggior parte delle linee di pensiero, che dieci picosecondi dopo il Big Bang, mentre l'Universo era solo plasma, prese forma il bosone di Higgs.
A questo punto entra in gioco il metodo (importato da altre discipline scientifiche) della riduzione dimensionale, per ridurre il numero di variabili in gioco e rendere più semplice il problema.
«In questo modo abbiamo sostituito la teoria che descrive il plasma con una teoria quantistica più semplice», afferma David Weir (Istituto di Fisica di Helsinki, Finlandia).
«Questo modello vuole che tutte le particelle debbano seguire un insieme di regole e ci mostra che le particelle più pesanti non subiscono alterazioni in virtà di tali regole. Quindi l'ipotesi sembra valida, ed è meno complicata da gestire.»
È la strada giusta? Modelli computerizzati di questo approccio permettono di avere uno scenario che spiega che cosa può essere successo quando si è apparso il bosone di Higgs e che cosa ha determinato l'asimmetria tra materia e antimateria, utilizzando l'ipotesi della "doppia coppia" di Higgs. Un risultato di notevole interesse, perché il complesso esercizio dimostra che, stabilito un insieme di regole, è possibile spiegare l'assenza di antimateria nell'Universo.
Tuttavia, se il bosone di Higgs si "accese" in modo così violento come vuole l'ipotesi su cui si basa il lavoro del team, avrebbe dovuto lasciare degli "echi" nel plasma, echi simili a bolle o a nuvole che si sarebbero espanse fino a collidere tra loro e a produrre onde gravitazionali. Come vedete, i tentativi di semplificazione semplificano poco, alla fine: ora i ricercatori dovranno cercare quelle onde gravitazionali, nell'ambito del progetto europeo LISA.
La materia oscura si manifesta attraverso i suoi effetti gravitazionali: non la vediamo direttamente. Se non ci fosse non esisterebbero le galassie così come le conosciamo, le stelle vagherebbero per lo spazio e probabilmente non esisteremmo nemmeno noi.
È cinque volte più abbondante della materia ordinaria: non si "vede", ma se non ci fosse non ci sarebbero i suoi effetti gravitazionali. La sua natura è ignota, ma gli scienziati ritengono di essere vicini a una svolta per comprenderla: ecco la storia in cinque capitoli di questa caccia al tesoro scientifica.
Nell'immagine: mappa 3D della distribuzione di materia oscura, elaborata su misure del telescopio Hubble sulla distorsione gravitazionale debole (weak gravitational lensing), un metodo che permette di dedurre la massa di oggetti astronomici senza conoscere la loro composizione o il loro stato dinamico.
Foto: © NASA/ESA/Richard Massey (California Institute of Technology)
L'idea di una materia oscura (invisibile e di natura ignota) comincia a fare capolino nei calcoli degli scienziati nel 1933, quando l'astronomo Fritz Zwicky si rende conto che la forza di gravità esercitata dalla materia visibile negli ammassi galattici della Chioma e della Vergine non è sufficiente a tenerli insieme. Doveva quindi esserci qualcos'altro, qualcosa di non visibile ma in grado di esercitare l'attrazione gravitazionale "mancante" per fare quadrare i conti.
Nella foto: l'ammasso di galassie Abell 520, nella costellazione di Orione, è un mistero nel mistero. In base ai calcoli, in questa zona dell'Universo la materia oscura sarebbe concentrata nelle aree meno "popolate" di galassie, in contrasto con le nostre attuali conoscenze.
Foto: © NASA
La caccia alla materia oscura viene effettuata anche per via indiretta, per esempio studiandone gli effetti collaterali. Diversi esperimenti stanno cercando di osservare, in superficie e sottoterra, scontri tra WIMP e materia ordinaria.
Nella foto, IceCube: il gigantesco rivelatore di neutrini costruito in Antartide dai ricercatori dell'università del Winsconsin, composto da una miriade di sensori annegati in 1 km cubo di ghiaccio.
Foto: © University of Wisconsin
Gli scienziati cercano la materia oscura anche osservando i suoi effetti diretti, per esempio come la sua gravità sia in grado di deviare la luce, come in un grande prisma cosmico.
Un team di ricercatori del National Astronomical Observatory, in Giappone, sta analizzando queste deformazioni ottiche per creare la prima mappa della materia oscura, che dovrebbe essere completata entro il 2019 e che mostrerà come è distribuita la nell'Universo e con quale densità.
Nell'immagine: prime indicazioni sulla distribuzione della materia oscura in un piccolo arco di volta celeste, pubblicate dai ricercatori giapponesi all'inizio di luglio.
Foto: © National Astronomical observatory
L'individuazione della materia oscura sarà comunque solo un primo passo verso la comprensione di come funziona l'Universo. Secondo gli scienziati la combinazione di materia ordinaria e materia oscura riesce infatti a spiegare solo un 30% di ciò che c'è là fuori, nello spazio. Che cos'è il resto?
Potrebbe essere energia oscura, una forma di energia non direttamente rilevabile e sulla quale sappiamo ancora meno che sulla materia oscura. Sarà questa la prossima caccia al tesoro scientifica.
Nell'immagine: in questa elaborazione della NASA l'energia oscura è rappresentata dalla griglia viola e la gravità (con effetti evidenti ma localizzati) dalla griglia verde.
