Un’eccessiva quantità di antimateria in piogge di particelle cariche che colpiscono la Terra, chiamate raggi cosmici, potrebbe rivelare i segreti della materia oscura, la “sostanza” più misteriosa dell’universo, suggerisce un nuovo studio. La materia oscura rappresenta una sfida così grande per gli scienziati poiché costituisce circa l’85% della materia nel cosmo, ma rimane praticamente invisibile perché non interagisce con la luce. Ciò significa che ogni atomo che compone ogni stella, pianeta, luna, asteroide, cometa, umano, libro, tazza di caffè e gatto è sovrastato dalla materia oscura in un rapporto di circa cinque a uno. Un team di ricercatori guidato da Pedro De la Torre Luque dell’Istituto di Fisica Teorica di Madrid teorizza che quantità inspiegabili di antimateria, particelle “specchio” caricate in modo opposto rispetto alle particelle di materia come protoni ed elettroni, nei raggi cosmici potrebbero essere il risultato dell’annichilazione delle particelle di materia oscura. Tuttavia, i dettagli di questa connessione potrebbero mettere in discussione il principale sospettato per la materia oscura: i WIMP, abbreviazione di “particelle massicce a debole interazione”. “Abbiamo scoperto che la quantità di antinuclei, in particolare antielio [l’equivalente dell’antimateria dei nuclei di elio], rilevata non può essere spiegata dai processi noti nell’universo,” ha dichiarato De la Torre Luque a Space.com. “Le antiparticelle non sono comuni nel mezzo interstellare [il gas e la polvere tra le stelle], quindi trovare una produzione alta di esse potrebbe indicare processi al di là di ciò che conosciamo. In particolare, se la materia oscura è una particella, ci si aspetta che annichili raramente e produca quantità uguali di particelle e antiparticelle.” Collegate: La materia oscura ha aiutato i buchi neri a crescere come mostri nell’infante cosmo? La ricerca del team potrebbe essere una cattiva notizia per i candidati più ampiamente supportati per la materia oscura, costringendo gli scienziati a tornare al tavolo da disegno nella loro ricerca per comprendere la massa mancante dell’universo. Attualità spaziale, gli ultimi aggiornamenti su lanci di razzi, eventi di osservazione del cielo e altro ancora! Fuori strada, WIMP! Anche se rimangono uno dei principali sospettati ipotizzati per spiegare la materia oscura, i WIMP sono stati frustrantemente elusivi fino ad oggi. “I 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 di cui abbiamo conoscenza e le loro interazioni,” ha detto De la Torre Luque. “Non sono mai stati osservati, ma sono candidati meravigliosi per la materia oscura perché sono neutri e potrebbero essere stati prodotti nell’universo primordiale attraverso meccanismi simili a quelli che hanno creato le particelle conosciute.” L’interazione debole dei WIMP con il resto delle particelle del Modello Standard significa che potrebbero essere sfuggiti a tutte le possibili rilevazioni da parte dei nostri esperimenti attuali. Pertanto, se compongono la materia oscura, non è stata ancora direttamente rilevata. I WIMP interagirebbero gravitazionalmente, proprio come fa la materia oscura. Questo è cruciale, poiché è l’interazione gravitazionale della materia oscura che ha permesso agli scienziati di dedurne l’esistenza. Quindi, i WIMP e la materia oscura sono una buona corrispondenza anche da questo punto di vista. Il Bullet Cluster, dove la materia oscura a interazione debole (blu) è passata attraverso la materia ordinaria (rosa), come un proiettile che attraversa una mela. (Credito immagine: raggi X: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch, Mappa ottica e di lensing: NASA/STScI, Magellan/U.Arizona/D.Clowe, Mappa di lensing: ESO/WFI) Una domanda aperta sulla materia oscura è se le particelle che la compongono si annichiliscano l’un l’altra. 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, i due si annichiliscono e la loro energia costitutiva viene rilasciata nuovamente nel cosmo. La materia oscura è stata proposta per “auto-annichilirsi” nelle rare occasioni in cui si auto-interagisce. “Ci si aspetta che i WIMP si annichiliscano, producendo coppie di particelle e antiparticelle in quantità uguali,” ha dichiarato De la Torre Luque. “Mentre ci aspettiamo che quantità molto ridotte di antiparticelle vengano create nel mezzo interstellare dai processi che conosciamo, poiché sappiamo che la materia oscura permea tutto il nostro universo e che i WIMP sono i migliori candidati che abbiamo per la materia oscura, ci si può aspettare che quantità copiose di antiparticelle siano create nella galassia da questi WIMP.” Un diagramma mostra la proporzione di materia oscura rispetto alla materia “quotidiana” che compone stelle, pianeti e gatti. (Credito immagine: Robert Lea (creato con Canva)) Il team ha esaminato le antiparticelle di elio e antielio nei raggi cosmici per cercare di trovare la firma dell’annichilazione WIMP. Come gli atomi di elio “ordinarie”, l’antielio può avere tre o quattro neutroni. Ciò significa che esiste in due isotopi: antielio-3 e 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 anch’essi creare antiparticelle quando colpiscono e attraversano il mezzo interstellare. Tuttavia, le quantità di antielio rilevate nei raggi cosmici sono molto superiori a quelle previste dalle stime della produzione di antinuclei solo da parte delle particelle dei raggi cosmici. Collegate: Cosa sono i raggi cosmici? La Stazione Spaziale Internazionale, ospite dell’esperimento AMS02, che ha rilevato un sovrappiù di antimateria nei raggi cosmici. (Credito immagine: Bleecker Street) Il team ha indagato se il candidato di materia oscura WIMP possa spiegare questo sovrappiù di antimateria. Hanno scoperto che l’annichilazione WIMP potrebbe spiegare l’eccesso di antielio-3, ma non le quantità misurate di antielio-4. “Sebbene le nostre previsioni rivelino che, in base a calcoli ottimistici, possiamo spiegare le osservazioni di antielio-3 con i WIMP come materia oscura, ci aspettiamo che i WIMP debbano produrre quantità molto minori di antielio-4. In effetti, di un fattore di 1.000 in meno, perché è più pesante dell’antielio-3,” ha dichiarato De la Torre Luque. “Abbiamo trovato che i WIMP non possono facilmente spiegare queste osservazioni, e per risolvere questo mistero, avremmo bisogno di modelli di materia oscura ancora più esotici.” Anche se questo potrebbe inizialmente sembrare una cattiva notizia, la concezione dei WIMP come “particelle miracolose” che soddisfano tutti i requisiti della materia oscura ha portato all’abbandono efficace di molti altri modelli di particelle. Alcuni di questi alternativi ai WIMP potrebbero ora tornare in considerazione, così come spiegazioni non basate su particelle, come l’idea che la materia oscura potrebbe essere composta 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 per la materia oscura e che potrebbe essere sfuggita a tutte le attuali indagini per nuove particelle negli acceleratori di particelle, questo sarà un grande candidato per la materia oscura, e la rilevazione di antielio potrebbe essere il nostro unico modo per indagarlo.” La ricerca del team è stata pubblicata il 4 ottobre nel Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.