La sovrabbondanza di antimateria cambia la concezione della materia oscura, che costituisce il 85% dell’universo

Una sovrabbondanza di antimateria nelle piogge di particelle cariche che bombardano la Terra, chiamate raggi cosmici, potrebbe rivelare i segreti della materia oscura, la “roba” più misteriosa dell’universo, secondo un nuovo studio. 

La materia oscura rappresenta una sfida per gli scienziati perché, secondo le stime, costituisce l’85% della materia del cosmo, ma è di fatto invisibile perché non interagisce con la luce. Ciò significa che ogni atomo che compone ogni stella, pianeta, luna, asteroide, cometa, essere umano, libro, tazza di caffè e gatto è superato dalla materia oscura di circa cinque a uno.

Un gruppo di ricercatori guidati da Pedro De la Torre Luque dell’Istituto di Fisica Teorica di Madrid teorizza che le quantità inspiegabili di antimateria, “particelle specchio” di carica opposta alle particelle di materia come protoni ed elettroni, presenti nei raggi cosmici potrebbero essere il risultato dell’annichilazione delle particelle di materia oscura. Tuttavia, i dettagli di questa connessione potrebbero scagionare il principale sospetto di materia oscura – le WIMP, acronimo di “particelle massive debolmente interagenti”.

Fuori dai piedi, WIMP!

Sebbene rimangano uno dei principali sospetti ipotizzati per spiegare la materia oscura, le WIMP sono rimaste finora frustrantemente elusive.

“Le WIMP sono una famiglia generale di particelle previste da molte estensioni minime del Modello Standard della fisica delle particelle, il modello che spiega le particelle che conosciamo e le loro interazioni”, ha detto De la Torre Luque. “Non sono mai state osservate, ma sono ottime candidate per la materia oscura perché sono neutre e potrebbero essere prodotte nell’universo primordiale da meccanismi simili al processo che ha creato le particelle conosciute”.

La debole interazione delle WIMP con il resto delle particelle del Modello Standard significa che potrebbero aver eluso ogni possibile rilevazione da parte dei nostri attuali esperimenti. Ecco perché, se costituiscono la materia oscura, non è stata ancora rilevata direttamente. Le WIMP interagirebbero gravitazionalmente, proprio come fa la materia oscura. Questo è fondamentale, perché è l’interazione gravitazionale della materia oscura che ha permesso agli scienziati di dedurne l’esistenza. Quindi, le WIMP e la materia oscura sono un’ottima accoppiata anche da questo punto di vista.

Una questione aperta sulla materia oscura è se le particelle che la compongono si annichiliscono a vicenda. L’annichilazione si riferisce a ciò che accade quando una particella di materia incontra la sua controparte di antimateria e si distruggono a vicenda. Ad esempio, quando un elettrone incontra la sua antiparticella, un positrone, le due particelle si annichiliscono e l’energia che le costituisce viene rilasciata nel cosmo. È stato proposto che la materia oscura si “auto-annichilisca” nelle rare occasioni in cui interagisce con se stessa.

“Ci si aspetta che le WIMP si annichilino, producendo coppie di particelle e antiparticelle in quantità uguali”, ha detto De la Torre Luque. “Mentre ci aspettiamo che nel mezzo interstellare si creino quantità minime di antiparticelle attraverso i processi che conosciamo, poiché sappiamo che la materia oscura permea tutto il nostro universo e le WIMP sono i migliori candidati che abbiamo per la materia oscura, ci si può aspettare una quantità copiosa di antiparticelle create nella galassia da queste WIMP”.

Un diagramma mostra la proporzione tra la materia oscura e la materia “quotidiana” che compone stelle, pianeti e gatti. (Immagine: Robert Lea (creato con Canva))

Il team ha esaminato le antiparticelle dell’elio e dell’antielio nei raggi cosmici per cercare di trovare la firma dell’annichilazione delle WIMP. Come gli atomi di elio “ordinari”, l’antielio può avere tre o quattro neutroni. Questo significa che è disponibile in due isotopi: l’antielio-3 e l’antielio-4.

L’esperimento Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 02 a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) ha recentemente trovato quantità molto simili di antielio-3 e antielio-4 nei raggi cosmici. I raggi cosmici possono creare antiparticelle quando colpiscono e attraversano il mezzo interstellare. Tuttavia, le quantità di antielio rilevate nei raggi cosmici sono molto più elevate di quelle previste dalle stime della produzione di antinuclei dalle sole particelle dei raggi cosmici.

Stazione Spaziale internazionale

Il team ha esaminato se la materia oscura candidata a WIMP possa spiegare questa sovrabbondanza di antimateria. Hanno scoperto che l’annichilazione WIMP potrebbe spiegare la sovrabbondanza di antielio-3, ma non le quantità misurate di antielio-4.

“Mentre le nostre previsioni rivelano che, in base a calcoli ottimistici, possiamo spiegare le osservazioni di antielio-3 con le WIMP come materia oscura, ci aspettiamo che le WIMP producano una quantità di antielio-4 molto inferiore. Di un fattore 1.000 in meno, infatti, perché è più pesante dell’antielio-3”, ha detto De la Torre Luque. “Abbiamo scoperto che le WIMP non sono in grado di spiegare facilmente queste osservazioni e per risolvere questo mistero avremmo bisogno di modelli di materia oscura ancora più esotici”.

Anche se inizialmente potrebbe sembrare una cattiva notizia, la visione delle WIMP come “particelle miracolose” che soddisfano tutti i requisiti della materia oscura ha portato all’effettivo abbandono di molti altri modelli di particelle.

Alcune di queste alternative alle WIMP potrebbero ora tornare sul tavolo, così come spiegazioni non particellari, come l’idea che la materia oscura possa essere costituita da “buchi neri primordiali” di dimensioni subatomiche creati durante il Big Bang.

“Se questa produzione di antinuclei è il risultato di una particella sconosciuta nella galassia, questa particella dovrebbe avere proprietà molto specifiche per produrre antielio”, ha concluso De la Torre Luque. “Se scopriamo che questa particella può spiegare tutte le attuali osservazioni sulla materia oscura e che potrebbe essere sfuggita a tutte le attuali ricerche di nuove particelle presso gli acceleratori di particelle, sarà un ottimo candidato per la materia oscura e la rilevazione dell’antielio potrebbe essere il nostro unico modo per indagarla”.

Quindi la teoria di base dell’universo rischia di mutare profondamente e far sparire WIMP, ma portare in auge i mini buchi neri come spiegazione per la materia oscura.