L'Universo abbonda di materia oscura. Nessuno sa in realtà di che cosa essa consiste. I fisici dell'Università di Oslo hanno messo a punto una spiegazione matematica che potrebbe risolvere il mistero una volta per tutte.
"Siamo alla ricerca di un nuovo tipo di particelle adatte a spiegare la materia oscura. Sappiamo che si tratta di una bestia ignota ma abbiamo trovato una spiegazione plausibile", dice Raklev, professore associato di fisica delle particelle all'Università di Oslo.
Anche se la materia oscura è invisibile, gli astrofisici sanno che esiste. Senza questa materia oscura sarebbe impossibile spiegare come le cose visibili nell'Universo stiano insieme.
La materia oscura è in grado di spiegare il perché le stelle si muovono e la velocità di rotazione delle galassie.
"Anche se siamo in grado di calcolare la quantità di materia oscura presente nell'Universo, sappiamo ancora poco sulla sua natura. Le particelle di materia oscura devono avere una grande massa, o ci deve essere una gran quantità di esse. I neutrini incontrano tutti i requisiti della materia oscura. Ma c'è una grande difficoltà. Hanno una massa troppo esigua".
Raklev sta ora cercando di dimostrare che la materia oscura è costituita dai gravitinos. Questa è una particella che è stata trattata ingiustamente per anni.
I gravitinos sarebbero i partner supersimmetrici di gravitoni.O, per essere ancora più precisi: "Il gravitino è l'ipotetico, partner supersimmetrico dell'ipotetico gravitone, quindi è anche impossibile prevedere una particella ipotetica oltre questa".
Per supporre la presenza dei gravitones occorre innanzi tutto
scoprire se la natura è supersimmetrica. La supersimmetria significa che vi è una simmetria tra materia e forze. Per ogni tipo di elettroni e quark corrisponde un partner pesante supersimmetrico. Le particelle supersimmetriche sono state creati nell'istante dopo il Big Bang. Se alcune di esse sono sopravvissute fino ad oggi, potrebbero essere parte della materia oscura.
Il partner supersimmetrico del gravitino è, come ha detto Apollon, il gravitone.
"Un gravitone è la particella che crediamo abbia la forza di gravità media, proprio come un fotone, la particella di luce, una media forza elettromagnetica. Mentre i gravitoni non pesano niente, i gravitinos possono pesare molto. Se la natura è supersimmetrica e i gravitoni esistono, allora i gravitinos esistono anche. E viceversa. Questa è matematica pura".
Ma c'è un problema. I fisici non possono dimostrare la relazione tra gravitoni e gravitinos prima di riuscire a unificare tutte le forze della natura.
Uno dei più grandi sforzi della fisica è unificare tutte le forze della natura in un'unica teoria. A metà del secolo scorso i fisici scoprirono che l'elettricità e il magnetismo facevano parte della stessa forza della natura. Questa forza è stata poi chiamata elettromagnetismo. Due delle altre forze della natura sono la forza nucleare forte e la forza nucleare debole. La forza nucleare debole può essere la radioattività. La forza nucleare forte è di dieci miliardi di volte più forte e lega insieme i neutroni e i protoni.
Nel 1970, l'elettromagnetismo è stato unificato con le forze nucleari forti e deboli in quello che i fisici chiamano il modello standard.
La quarta forza della natura è la gravità. La gravità è la più debole delle quattro forze della natura.
Il problema è che i fisici non sono ancora stati in grado di unificare la gravità con le tre altre forze della natura. I fisici, quando acquisiranno una comprensione unificata di tutte e quattro le forze della natura, guadagneranno una comprensione unica del mondo. In questo modo sarà possibile descrivere tutte le interazioni tra tutte le particelle immaginabili possibili in natura. I fisici chiamano questa la teoria ToE (Teoria del Tutto).
"Al fine di unificare la forza gravitazionale con le altre tre forze della natura, dobbiamo acquisire la gravità come teoria quantistica. Ciò significa che abbiamo bisogno di una teoria in cui è incluso il gravitone come particella nel nucleo atomico".
I ricercatori sono ora alla ricerca sia della supersimmetria che della teoria ToE. La scoperta del gravitone sarebbe un enorme passo in questa direzione.
Anche se non è stato possibile osservare la materia oscura, diversi miliardi di neutrini che ne fanno parte, attraversano il nostro corpo ogni secondo. Tuttavia, la loro velocità è piuttosto limitata. Le particelle si muovono alla velocità del Sistema Solare che si muove intorno alla galassia, a soli 400 chilometri al secondo.
"Quando non ci sono i rapporti con le particelle elettromagnetiche visibili, le particelle possono passare proprio attraverso di noi senza strumenti di misura e di rilevazione. Qui è dove entra in gioco la supersimmetria.
Se la supersimmetria è esatta, i fisici possono spiegare perché non vi è materia oscura nell'Universo", dice Raklev.
"La supersimmetria semplifica tutto. Se la teoria ToE esiste, in altre parole se è possibile unificare le quattro forze della natura, i gravitinos devono esistere".
I gravitinos si sono formati subito dopo il Big Bang.
"Poco tempo dopo il Big Bang abbiamo avuto una zuppa di particelle che si scontrarono. I Gluoni, che sono le particelle cuscinetto alla forza nucleare forte, entrarono in collisione con altri gluoni ed emisero i gravitinos.
I gravitinos si sono formati mentre l'Universo era ancora plasma. Quindi abbiamo una spiegazione del perché i gravitinos esistono".
I fisici hanno fino ad ora visto i gravitinos come un problema. Hanno creduto che la teoria della supersimmetria non funziona perché ci sono troppi gravitinos.
"I fisici hanno quindi cercato di eliminare i gravitinos dai loro modelli. Noi, d'altra parte, abbiamo trovato una nuova spiegazione che unifica il modello della supersimmetria con la materia oscura che si compone di gravitinos. Se la materia oscura non è stabile, ma solo esistente da molto tempo è possibile spiegare come la materia oscura consiste di gravitinos".
Nei vecchi modelli la materia oscura è sempre eterna. Questo significava che i gravitinos erano una parte fastidiosa del modello della supersimmetria. Nel nuovo modello di Raklev, la loro vita non è più infinita. Tuttavia, la vita media di gravitinos è molto lunga e in realtà più lunga della durata dell'Universo.
Tuttavia, vi è una grande differenza tra una vita senza fine e una durata di più di 15 miliardi di anni. Con una durata di vita limitata, i gravitinos devono essere convertiti in altre particelle. È proprio questo effetto di conversione che può essere misurata. E la conversione spiega il modello.
"Noi crediamo che quasi tutta la materia oscura è gravitinos. La spiegazione sta nella matematica. Stiamo sviluppando modelli speciali che consentono di calcolare le conseguenze di queste teorie e prevedere in che modo le particelle possono essere osservate negli esperimenti".
I ricercatori stanno ora cercando di verificarle sperimentalmente e questo spiega perché queste nuove particelle non sono ancora state osservate negli esperimenti del CERN a Ginevra in Svizzera.
"D'altra parte, dovrebbe teoricamente essere possibile osservarli da una sonda spaziale".
Il modo più semplice potrebbe essere studiare cosa succede se due particelle si scontrano fuori nell'Universo e sono convertite in altre particelle come fotoni o antimateria.
Anche se le collisioni avvengono molto raramente, c'è ancora tanta materia oscura nell'Universo da produrre un numero significativo di fotoni.
Il grosso problema è che i gravitinos non si scontrano.
"Almeno capita così raramente che non potremmo mai sperare di osservarli".
Tuttavia c'è speranza
"Fortunatamente per noi, i gravitinos non sono al cento per cento stabili. Essi vengono convertiti in qualcos'altro, ad un certo punto. Siamo in grado di prevedere ciò che il segnale diventa dopo la loro conversione, ovvero una piccola onda elettromagnetica chiamata anche raggio gamma".
La sonda spaziale della NASA Fermi-LAT sta attualmente misurando i raggi gamma. Un certo numero di gruppi di ricerca stanno ora analizzando i dati.
"Finora abbiamo visto solo il rumore. Ma uno dei gruppi di ricerca ha affermano di aver osservato un piccolo avanzo sospetto di raggi gamma dal centro della nostra galassia. Le loro osservazioni potrebbero andare bene per i nostri modelli ".
A cura Di Arthur McPaul
Foto in alto
il prof. Raklev (Credit: Yngve Vogt)
Fonte:
http://www.sciencedaily.com/releases/2013/01/130124091545.htm
"Siamo alla ricerca di un nuovo tipo di particelle adatte a spiegare la materia oscura. Sappiamo che si tratta di una bestia ignota ma abbiamo trovato una spiegazione plausibile", dice Raklev, professore associato di fisica delle particelle all'Università di Oslo.
Anche se la materia oscura è invisibile, gli astrofisici sanno che esiste. Senza questa materia oscura sarebbe impossibile spiegare come le cose visibili nell'Universo stiano insieme.
La materia oscura è in grado di spiegare il perché le stelle si muovono e la velocità di rotazione delle galassie.
"Anche se siamo in grado di calcolare la quantità di materia oscura presente nell'Universo, sappiamo ancora poco sulla sua natura. Le particelle di materia oscura devono avere una grande massa, o ci deve essere una gran quantità di esse. I neutrini incontrano tutti i requisiti della materia oscura. Ma c'è una grande difficoltà. Hanno una massa troppo esigua".
Raklev sta ora cercando di dimostrare che la materia oscura è costituita dai gravitinos. Questa è una particella che è stata trattata ingiustamente per anni.
I gravitinos sarebbero i partner supersimmetrici di gravitoni.O, per essere ancora più precisi: "Il gravitino è l'ipotetico, partner supersimmetrico dell'ipotetico gravitone, quindi è anche impossibile prevedere una particella ipotetica oltre questa".
Per supporre la presenza dei gravitones occorre innanzi tutto
scoprire se la natura è supersimmetrica. La supersimmetria significa che vi è una simmetria tra materia e forze. Per ogni tipo di elettroni e quark corrisponde un partner pesante supersimmetrico. Le particelle supersimmetriche sono state creati nell'istante dopo il Big Bang. Se alcune di esse sono sopravvissute fino ad oggi, potrebbero essere parte della materia oscura.
Il partner supersimmetrico del gravitino è, come ha detto Apollon, il gravitone.
"Un gravitone è la particella che crediamo abbia la forza di gravità media, proprio come un fotone, la particella di luce, una media forza elettromagnetica. Mentre i gravitoni non pesano niente, i gravitinos possono pesare molto. Se la natura è supersimmetrica e i gravitoni esistono, allora i gravitinos esistono anche. E viceversa. Questa è matematica pura".
Ma c'è un problema. I fisici non possono dimostrare la relazione tra gravitoni e gravitinos prima di riuscire a unificare tutte le forze della natura.
Uno dei più grandi sforzi della fisica è unificare tutte le forze della natura in un'unica teoria. A metà del secolo scorso i fisici scoprirono che l'elettricità e il magnetismo facevano parte della stessa forza della natura. Questa forza è stata poi chiamata elettromagnetismo. Due delle altre forze della natura sono la forza nucleare forte e la forza nucleare debole. La forza nucleare debole può essere la radioattività. La forza nucleare forte è di dieci miliardi di volte più forte e lega insieme i neutroni e i protoni.
Nel 1970, l'elettromagnetismo è stato unificato con le forze nucleari forti e deboli in quello che i fisici chiamano il modello standard.
La quarta forza della natura è la gravità. La gravità è la più debole delle quattro forze della natura.
Il problema è che i fisici non sono ancora stati in grado di unificare la gravità con le tre altre forze della natura. I fisici, quando acquisiranno una comprensione unificata di tutte e quattro le forze della natura, guadagneranno una comprensione unica del mondo. In questo modo sarà possibile descrivere tutte le interazioni tra tutte le particelle immaginabili possibili in natura. I fisici chiamano questa la teoria ToE (Teoria del Tutto).
"Al fine di unificare la forza gravitazionale con le altre tre forze della natura, dobbiamo acquisire la gravità come teoria quantistica. Ciò significa che abbiamo bisogno di una teoria in cui è incluso il gravitone come particella nel nucleo atomico".
I ricercatori sono ora alla ricerca sia della supersimmetria che della teoria ToE. La scoperta del gravitone sarebbe un enorme passo in questa direzione.
Anche se non è stato possibile osservare la materia oscura, diversi miliardi di neutrini che ne fanno parte, attraversano il nostro corpo ogni secondo. Tuttavia, la loro velocità è piuttosto limitata. Le particelle si muovono alla velocità del Sistema Solare che si muove intorno alla galassia, a soli 400 chilometri al secondo.
"Quando non ci sono i rapporti con le particelle elettromagnetiche visibili, le particelle possono passare proprio attraverso di noi senza strumenti di misura e di rilevazione. Qui è dove entra in gioco la supersimmetria.
Se la supersimmetria è esatta, i fisici possono spiegare perché non vi è materia oscura nell'Universo", dice Raklev.
"La supersimmetria semplifica tutto. Se la teoria ToE esiste, in altre parole se è possibile unificare le quattro forze della natura, i gravitinos devono esistere".
I gravitinos si sono formati subito dopo il Big Bang.
"Poco tempo dopo il Big Bang abbiamo avuto una zuppa di particelle che si scontrarono. I Gluoni, che sono le particelle cuscinetto alla forza nucleare forte, entrarono in collisione con altri gluoni ed emisero i gravitinos.
I gravitinos si sono formati mentre l'Universo era ancora plasma. Quindi abbiamo una spiegazione del perché i gravitinos esistono".
I fisici hanno fino ad ora visto i gravitinos come un problema. Hanno creduto che la teoria della supersimmetria non funziona perché ci sono troppi gravitinos.
"I fisici hanno quindi cercato di eliminare i gravitinos dai loro modelli. Noi, d'altra parte, abbiamo trovato una nuova spiegazione che unifica il modello della supersimmetria con la materia oscura che si compone di gravitinos. Se la materia oscura non è stabile, ma solo esistente da molto tempo è possibile spiegare come la materia oscura consiste di gravitinos".
Nei vecchi modelli la materia oscura è sempre eterna. Questo significava che i gravitinos erano una parte fastidiosa del modello della supersimmetria. Nel nuovo modello di Raklev, la loro vita non è più infinita. Tuttavia, la vita media di gravitinos è molto lunga e in realtà più lunga della durata dell'Universo.
Tuttavia, vi è una grande differenza tra una vita senza fine e una durata di più di 15 miliardi di anni. Con una durata di vita limitata, i gravitinos devono essere convertiti in altre particelle. È proprio questo effetto di conversione che può essere misurata. E la conversione spiega il modello.
"Noi crediamo che quasi tutta la materia oscura è gravitinos. La spiegazione sta nella matematica. Stiamo sviluppando modelli speciali che consentono di calcolare le conseguenze di queste teorie e prevedere in che modo le particelle possono essere osservate negli esperimenti".
I ricercatori stanno ora cercando di verificarle sperimentalmente e questo spiega perché queste nuove particelle non sono ancora state osservate negli esperimenti del CERN a Ginevra in Svizzera.
"D'altra parte, dovrebbe teoricamente essere possibile osservarli da una sonda spaziale".
Il modo più semplice potrebbe essere studiare cosa succede se due particelle si scontrano fuori nell'Universo e sono convertite in altre particelle come fotoni o antimateria.
Anche se le collisioni avvengono molto raramente, c'è ancora tanta materia oscura nell'Universo da produrre un numero significativo di fotoni.
Il grosso problema è che i gravitinos non si scontrano.
"Almeno capita così raramente che non potremmo mai sperare di osservarli".
Tuttavia c'è speranza
"Fortunatamente per noi, i gravitinos non sono al cento per cento stabili. Essi vengono convertiti in qualcos'altro, ad un certo punto. Siamo in grado di prevedere ciò che il segnale diventa dopo la loro conversione, ovvero una piccola onda elettromagnetica chiamata anche raggio gamma".
La sonda spaziale della NASA Fermi-LAT sta attualmente misurando i raggi gamma. Un certo numero di gruppi di ricerca stanno ora analizzando i dati.
"Finora abbiamo visto solo il rumore. Ma uno dei gruppi di ricerca ha affermano di aver osservato un piccolo avanzo sospetto di raggi gamma dal centro della nostra galassia. Le loro osservazioni potrebbero andare bene per i nostri modelli ".
A cura Di Arthur McPaul
Foto in alto
il prof. Raklev (Credit: Yngve Vogt)
Fonte:
http://www.sciencedaily.com/releases/2013/01/130124091545.htm
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