La materia oscura è uno dei più grandi enigmi della cosmologia moderna: costituisce circa l’80% di tutta la materia dell’universo, eppure è completamente invisibile ai nostri strumenti. Le prove della sua esistenza arrivano dall’osservazione delle galassie e della radiazione cosmica di fondo, ma la sua natura rimane sconosciuta. Due nuovi studi del professor Stefano Profumo, dell’Università della California a Santa Cruz, propongono approcci radicalmente diversi per affrontare il mistero.
Un universo parallelo di particelle invisibili
Il primo lavoro, pubblicato a luglio, introduce l’idea di un “settore nascosto” dell’universo: un mondo speculare al nostro, popolato da versioni alternative delle particelle note, ma del tutto invisibili. Questo settore oscuro seguirebbe le stesse leggi fisiche di quello visibile, ma resterebbe inaccessibile ai rilevatori tradizionali. Il modello si ispira alla cromodinamica quantistica, che descrive come i quark si legano in protoni e neutroni. Nel quadro di Profumo, esisterebbero “quark oscuri” e “gluoni oscuri” capaci di formare barioni oscuri massicci, che in certe condizioni primordiali potrebbero collassare in buchi neri microscopici estremamente stabili.
Il secondo studio, uscito a maggio, ipotizza che la materia oscura possa essere stata generata direttamente dall’espansione dell’universo. Subito dopo l’inflazione primordiale, una breve fase di accelerazione potrebbe aver creato particelle tramite effetti quantistici vicino all’orizzonte cosmico, in un meccanismo simile a quello della radiazione di Hawking attorno ai buchi neri. Utilizzando la teoria quantistica dei campi nello spaziotempo curvo, Profumo mostra come questo processo possa produrre materia oscura con masse variabili a seconda della temperatura e della durata di questa fase.
Oltre i modelli tradizionali
Secondo Profumo, vice direttore per la teoria all’Istituto di Fisica delle Particelle di Santa Cruz, questi due meccanismi offrono scenari coerenti e calcolabili senza ricorrere alle particelle “esotiche” dei modelli standard, sempre più in difficoltà per via dei risultati sperimentali negativi. In entrambi i casi, la materia oscura emergerebbe naturalmente dalle condizioni dell’universo primordiale, sfruttando leggi fisiche già conosciute.
Santa Cruz ha una lunga tradizione nella ricerca cosmologica: qui sono stati sviluppati contributi fondamentali al modello Lambda-Materia Oscura Fredda, e studiosi come Michael Dine e Abe Seiden hanno aperto strade cruciali nello studio teorico e sperimentale della materia oscura. Profumo stesso è autore del manuale “An Introduction to Particle Dark Matter” (2017), che sintetizza le tecniche più avanzate per costruire e testare modelli teorici. Entrambi gli studi sono stati pubblicati su Physical Review D, proseguendo la tradizione di esplorare connessioni tra le domande più profonde della fisica delle particelle e il comportamento su larga scala dell’universo.
