Repubblica 31.10.18
L’inchiesta
L’ultima caccia alla materia invisibile
La tela oscura dell’Universo Dalla Nasa a Frascati, gli scienziati studiano la materia invisibile
di Elena Dusi

È il 22% dell’universo e tiene insieme le galassie. Ma è così oscura da sfuggire a ogni test. Ci riprova un team italiano di FRASCATI.
È un filamento invisibile, ma sposta luce e materia. Infrange le regole note della fisica. Se con una mano lascia una traccia, con l’altra si affretta a negarla. In tanti affermano di aver percepito la sua presenza, ma nessuno ha fornito le prove. Il fisico di Princeton Cristiano Galbiati, coordinatore dell’esperimento DarkSide ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, nel libro appena uscito Le entità oscure la paragona alla «nebbia di Totò e Peppino», che c’è e non si vede. Poi riprende il contegno e si rivolge a lei con la giusta gravità: si tratta di una « divinità ctonia » la cui « caccia è appena cominciata. E nessuno sa predire quando saranno cantate le gesta dei cacciatori » . La materia oscura, il fantasma dell’universo, è mistero troppo affascinante per non avere una giornata mondiale, con eventi e conferenze ( www. darkmatterday. com). E questa giornata non poteva che coincidere con il 31 ottobre: Halloween, la celebrazione dell’occulto per eccellenza.
Da inizio ottobre, intanto, in una sala dei Laboratori di Frascati dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), potrebbe aggirarsi una particella chiamata “fotone oscuro”. A produrlo sarebbe un fascio di elettroni positivi (positroni) sparati contro un diamante artificiale spesso un decimo di millimetro. A guardarlo, l’apparato può ricordare la macchina del tempo del film The time machine, del 1960. È costruito anche con pezzi riciclati di esperimenti dismessi, né gli scienziati hanno perso tempo a lucidarlo, prima di accenderlo. Eppure, se la loro teoria è giusta, qui potrebbero spalancarsi le porte del mondo nascosto. «L’ipotesi è che esista un universo parallelo al nostro, ma oscuro, composto da particelle che non conosciamo » , suggerisce Pierluigi Campana, direttore dei Laboratori di Frascati. «Il fotone oscuro, fungerebbe da ponte tra i due mondi. Ma se ci sbagliassimo, potrebbe voler dire che fra i due universi non ci sia comunicazione».
La scommessa è ad alto rischio, un po’ come se gli scienziati avessero comprato un biglietto della lotteria. Il premio sarebbe la soluzione di un mistero nato nel 1933, quando il nome Dunkle Materie venne coniato dall’astronomo svizzero Fritz Zwicky. Alla velocità a cui si spostano – notò perplesso – le galassie della Chioma di Berenice dovrebbero divergere. Invece restano unite. Cosa esercita una forza di gravità così intensa? All’epoca però la fisica aveva altri problemi per la testa. Perché la materia oscura si imponga, occorre che si esaurisca l’impegno nucleare e che telescopi abbastanza potenti decifrino la danza degli oggetti celesti. Alla fine degli anni ’ 70 si conferma che la coreografia degli astri è incompatibile con la fisica di Newton. Si ipotizza la presenza di una massa invisibile, capace di esercitare la sua forza di gravità su stelle e galassie, ma non di interagire con la forza elettromagnetica (generando luce). Oggi sappiamo che la materia oscura “pesa” per il 22% dell’universo. L’ancor più arcana energia oscura rappresenta il 73% della massa del cosmo. Ci resta in mano un misero 5%. È tutto quel che possiamo conoscere: la materia fatta di quark, elettroni, protoni, atomi. I libri di fisica spiegano solo la punta dell’iceberg.
Al di sotto, associata al fotone oscuro, potrebbe esserci anche la fantomatica “ quinta forza” ( oltre alle quattro già note: forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale). Non a caso il nome Padme rimanda a una regina di Guerre Stellari. «A differenza del fotone ordinario, quello oscuro sarebbe dotato di una piccola massa», spiega Mauro Raggi coordinatore di Padme, ricercatore dell’Infn e dell’Università La Sapienza. « Potrebbe nascondersi tra i fotoni normali. Per scovarlo serve uno sguardo molto attento». I positroni, spiega Paolo Valente, anche lui coordinatore di Padme, ricercatore di Infn e Sapienza. « incontrano gli elettroni del diamante e si annichilano » . Le collisioni si succedono al ritmo di un milione al secondo. « Dall’interazione si formano un fotone luminoso e uno oscuro » . Cogliere la presenza di quest’ultimo è impossibile. L’unica soluzione è catturarne l’assenza. «Alla fine del percorso – prosegue Raggi – misuriamo l’energia dei fotoni ordinari. Se è inferiore a quella immessa con i positroni, la quota mancante appartiene ai fotoni oscuri». Con lo stesso metodo di prova indiretto, in fondo, fu confermata l’esistenza di un’altra particella forastica: i neutrini.
I fotoni oscuri sono un’idea che risale agli anni ’80. Ma solo oggi, dopo il mancato successo di tutte le “strategie di caccia”, la strana ipotesi è stata ripescata. A mani più o meno vuote infatti stanno restando tutti i tentativi di “cattura diretta” delle presunte particelle di materia oscura, dal Gran Sasso al Polo Sud, passando per le miniere di Usa, Corea del Sud e Cina. Un contributo decisivo non è arrivato nemmeno dai rivelatori dello spazio: satelliti come l’italiano Pamela o quello della Nasa Ams- 02. Certo, dei circa 50 esperimenti in corso per catturare il “fantasma dell’universo” alcuni hanno trovato indizi abbastanza suggestivi da motivare i ricercatori ad andare avanti. Ma mai abbastanza nitidi da “ illuminare” la strada giusta. Prendiamo l’esempio di Dama-Libra, un rivelatore dell’Infn al Gran Sasso. Dal 1998 osserva un eccesso di quelle che ritiene essere particelle di materia oscura in estate, quando la direzione del moto della Terra attorno al Sole si somma a quella del Sole attorno al centro della galassia. Il nostro pianeta è sottoposto così a un flusso più intenso di (presunta) materia oscura. Nessun altro esperimento, è il problema, è mai riuscito a replicare (e quindi convalidare) i dati di Dama-Libra. In orbita, Pamela prima e Ams-02 poi hanno misurato un “vento” di positroni che potrebbe provenire dall’annichilamento di particelle di materia oscura. Ma avrebbero dovuto incontrare un flusso analogo di antiprotoni. Perché il “ fantasma” avrebbe deciso di rivelarsi solo a metà? Né Lhc, l’acceleratore di particelle del Cern, è riuscito a catturare una delle tante particelle ipotizzate come i “ mattoni” della materia oscura. Tanto che fra i fisici ora c’è chi ipotizza che le “divinità ctonie” non esistano affatto. Sono le leggi degli “ dei della fisica”, Newton e Einstein, a dover essere riviste.
Gli indizi sulla materia oscura raccolti in 30 anni di ricerche sono che le sue particelle ( se esistono) non hanno carica elettrica, si muovono lentamente e sono distribuite in filamenti: le vie di aggregazione lungo le quali si formano stelle e galassie. Come tutti i fantasmi, sono longeve: si stima che si siano formate ai tempi del Big Bang. Da poco abbiamo scoperto come apparirebbe il cosmo senza la parte sommersa dell’iceberg. La galassia della Balena è l’unico oggetto celeste noto privo di materia oscura: si presenta come una zuppa di gas scialba e gelatinosa, povera di astri, molto diversa dalla Via Lattea. Ci avevano spiegato che siamo polvere di stelle, ma era solo una parte della storia. Fra tre mesi potremmo saperne di più, se Padme avrà vinto la sua lotteria di fine anno.