La ricerca della materia oscura ha subito una svolta radicale

Dopo decenni di ricerche, i fisici non sanno ancora di cosa sia composta la maggior parte della materia dell’universo. Ora devono allargare il raggio d’azione.

Sotto un massiccio appenninico, ai piedi dei monti Jinping nel Sichuan e nelle profondità di una miniera del South Dakota, è in corso una caccia cosmica.

Isolati nelle profondità di questi scudi rocciosi, enormi rivelatori riempiti di xeno liquido mirano a effettuare le prime rilevazioni dirette della materia oscura, la sostanza invisibile a lungo ricercata la cui gravità ha plasmato il nostro universo.

La speranza è che un giorno una particella di materia oscura, denominata particella massiva a interazione debole (WIMP, in breve), entri in collisione con un atomo di xeno, generando un lampo di luce e una carica elettrica. Dopo anni di attività, questi esperimenti hanno recentemente iniziato a rilevare sporadici segnali provenienti da una particella che scivola eterea attraverso la materia ordinaria fino a quando non si scontra con i rivelatori. Purtroppo, il nuovo segnale non è prodotto dalla materia oscura. I rivelatori stanno invece rilevando qualcosa di altrettanto immateriale ma molto più banale: i neutrini, le particelle subatomiche leggerissime che il Sole e altre stelle producono in quantità enormi.

L’incapacità dei fisici di trovare la materia oscura dove pensavano che fosse ha portato a una miriade di proposte per nuovi metodi di ricerca: sensori quantistici, rivelatori a elio liquido, ricerche nell’atmosfera di Giove e altro ancora.

I fisici sapevano da decenni che questo fondo di neutrini era presente; speravano semplicemente di scoprire prima la materia oscura WIMP. Ora le possibilità sembrano scarse. Alcuni dei rilevatori di WIMP odierni sono talmente grandi e sensibili da addentrarsi nella cosiddetta «nebbia di neutrini», in cui le particelle ordinarie rischiano di soffocare qualsiasi segnale proveniente dall’obiettivo principale. Non è possibile schermare questi rilevatori dai neutrini, che attraversano facilmente persino la Terra stessa. Ciò significa che il prossimo esperimento che utilizzerà questo approccio di lunga data per la ricerca della materia oscura WIMP potrebbe essere l’ultimo.

Incontrare la nebbia di neutrini non significa, tuttavia, la fine della ricerca della materia oscura. I ricercatori devono semplicemente spostare il fulcro della loro ricerca. «Non abbiamo ancora osservato la materia oscura WIMP», afferma Kathryn Zurek, fisica teorica delle particelle presso il California Institute of Technology. Né, aggiunge, gli scienziati hanno trovato nuove particelle nel Large Hadron Collider (LHC), il potente acceleratore di protoni a cavallo del confine tra Francia e Svizzera. «E così, naturalmente, si amplia l’orizzonte di ricerca», dice Zurek. Man mano che lo fanno, ci sono molti altri candidati in attesa dietro le quinte

In altre parole, la ricerca si sta trasformando da un’indagine mirata in una sorta di “caccia senza regole”. È un grande cambiamento. Oggi i fisici delle particelle sono meno sicuri dell’identità della materia oscura rispetto a quando hanno iniziato a cercarla. Ammettono apertamente di non poter dare per scontate le nozioni di base: ad esempio, se la materia che compone la materia oscura sia più pesante della Terra o più leggera di un’onda radio, oppure se la materia oscura sia costituita da un solo tipo di particella o da una dozzina.

L’incertezza può essere frustrante, persino umiliante. «L’intervallo potenziale in cui potrebbero trovarsi i candidati è talmente vasto che le probabilità che un singolo piccolo esperimento riesca a individuarla sono molto, molto basse», afferma Hugh Lippincott, ricercatore sperimentale sulla materia oscura presso l’Università della California, a Santa Barbara.

Ma il fatto che i fisici non siano riusciti a trovare la materia oscura dove pensavano che fosse ha anche portato a una miriade di proposte per nuovi metodi di ricerca: sensori quantistici, rivelatori a elio liquido, ricerche nell’atmosfera di Giove e altro ancora. «Ora c’è grande entusiasmo. E finalmente la tecnologia a disposizione c’è», afferma Gray Rybka, fisico dell’Università di Washington che co-dirige un esperimento alla ricerca degli assioni, un candidato alla materia oscura ultraleggero.

Tuttavia, con così tanti luoghi da esplorare, da dove ha senso che i fisici ricomincino?

Ignoranza astronomica

Per cominciare: la nascita dell’universo. La materia oscura è con noi sin dall’inizio, e c’è molto da imparare da quei primi eoni. Le mappe della radiazione cosmica di fondo — la prima luce proveniente dai primi anni dell’universo — sono piene di fluttuazioni causate dalla distribuzione a grumi della materia sottostante. Analizzando questi residui cosmici, i ricercatori possono dedurre che solo il 17% della materia nell’universo è costituita da particelle ordinarie come protoni e neutroni. Il restante 83% è materia oscura, che ha un’interazione minima o nulla con la luce o la materia ordinaria, se non attraverso la gravità.

Da questi effetti gravitazionali possiamo ricavare molte informazioni sulla materia oscura. Sappiamo che la Via Lattea contiene un alone di questa materia. Il nostro sistema solare orbita attorno al centro galattico a una velocità troppo elevata per essere trattenuto dalla sola attrazione della materia ordinaria: senza il legame gravitazionale della materia oscura, verremmo scagliati nello spazio intergalattico. Possiamo anche osservare come la massa della materia oscura di una galassia curvi il percorso della luce mentre questa raggiunge i telescopi terrestri. E su scala più vasta, possiamo vedere come i superammassi di galassie siano distribuiti nello spazio come gocce di rugiada su una ragnatela. Nessuna teoria cosmologica che non includa la materia oscura è in grado di spiegare tutti questi fenomeni.

Ma tutte le prove astronomiche e cosmologiche dicono ben poco su ciò di cui è effettivamente composta la materia oscura. «Non ti dicono nulla sui singoli costituenti. Ti dicono solo l’effetto che hanno quando sono tutti insieme», afferma Lippincott, che ha guidato l’esperimento LZ, un rivelatore di materia oscura WIMP attualmente in funzione nell’ex miniera di Homestake nel South Dakota.

L’idea dei WIMP è emersa negli anni ’80. All’epoca, i teorici stavano esplorando possibili integrazioni al modello standard, la teoria generale della fisica delle particelle che descrive tutte le particelle fondamentali dell’universo e le loro interazioni. Il modello standard è potente ma non spiega tutto — in particolare, tralascia la gravità — quindi alcuni aggiustamenti sembravano necessari. L’idea più diffusa, una classe di teorie denominata supersimmetria (SUSY, in informale), prevedeva l’abbinamento di ogni tipo di particella conosciuta nell’universo dell’ e con un “superpartner” ancora invisibile. Per essere sfuggiti al rilevamento, i superpartner avrebbero dovuto avere una massa elevata (il che li avrebbe posti fuori dalla portata dei collisori esistenti) ed essere debolmente interagenti, in grado di attraversare la materia come fantasmi. In altre parole, sarebbero stati dei WIMP. Non ci volle molto perché i fisici si rendessero conto che il WIMP era anche un eccellente candidato per la materia oscura: due problemi, una sola particella.

Il fascino della SUSY era così forte che molti fisici delle particelle si aspettavano di osservare i WIMP non appena l’LHC fosse entrato in funzione nel 2008. Invece, man mano che i dati dell’LHC venivano raccolti, le teorie SUSY più promettenti furono in gran parte scartate.

I WIMP, tuttavia, sono sopravvissuti, non più legati alla teoria che li ha generati. E l’ultima generazione di rivelatori di materia oscura ha mantenuto viva la ricerca. Dopotutto, afferma Lippincott, «la motivazione a cercare la materia oscura non si è affatto affievolita, giusto?»

Ora sembra che quei WIMP – se esistono – possano essere al di là delle nostre attuali capacità di rilevamento. Le difficoltà sono molteplici, ma la più diffusa è che quando si cerca un ago in un pagliaio, anche pochi altri oggetti a forma di ago possono ostacolare la ricerca. Le interazioni tra i neutrini e lo xeno all’interno dei rivelatori, sebbene astronomicamente rare, fanno proprio questo.

Un futuro esperimento definitivo sui WIMP indagherebbe il resto dei luoghi in cui i WIMP potrebbero nascondersi, scrutando persino nella nebbia di neutrini. Un progetto denominato XLZD (un acronimo un po’ goffo che riflette un mix di collaborazioni esistenti) utilizzerebbe da 60 a 80 tonnellate metriche di xeno liquido, pari all’incirca alla produzione globale annuale di questo elemento raro e almeno sei volte più xeno di quanto ne contenga l’attuale rilevatore più grande. Ma potrebbe essere già stato affossato, per ragioni non legate alla nebbia di neutrini: in occasione di un convegno sulla fisica delle particelle nel dicembre 2025, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha annunciato che gli Stati Uniti non avrebbero né ospitato XLZD né pagato la propria quota dei costi, che potrebbero superare abbondantemente i 300 milioni di dollari. «È possibile che il progetto non venga realizzato affatto», afferma Lippincott. «E in tal caso, il ritiro degli Stati Uniti lo avrebbe di fatto affossato».

Nel frattempo, il campo di ricerca sulla materia oscura si è ampliato notevolmente. Nel 2022, i ricercatori hanno elaborato un enorme grafico che mostra i vari candidati per la composizione della materia oscura e le loro possibili masse. Le opzioni rientravano principalmente in due intervalli che coprono circa 50 ordini di grandezza (ovvero^10⁵⁰, ovvero 10 seguito da altri 49 zeri). All’estremità più pesante della scala si trovano i buchi neri primordiali, oggetti ipotetici delle dimensioni di un asteroide che si sono formati poco dopo il Big Bang e che potrebbero ancora vagare nell’universo.

Ma molti fisici sono particolarmente interessati all’opzione più leggera: l’assione.

Ascoltate attentamente

Come il WIMP, l’assione è emerso inizialmente come soluzione a problemi legati al modello standard. Nel caso dell’assione, si trattava di risolvere una questione irrisolta riguardante la forza nucleare forte, la forza fondamentale che tiene insieme i nuclei atomici. Gli assioni furono proposti dai teorici negli anni ’70 come un aggiustamento matematico. Aggiungendo una particella con una massa compresa tra un trilionesimo e un milionesimo di quella di un elettrone , potevano spiegare perché la forza forte sembra comportarsi esattamente allo stesso modo sia con la materia che con l’antimateria, anche se non dovrebbe – una questione irrisolta nota come problema CP forte.

Gli assioni sarebbero abbondanti e interagirebbero raramente con la materia ordinaria, due caratteristiche necessarie per la materia oscura. Rilevare gli assioni non è però una passeggiata nel parco cosmico. Queste delicate particelle trasportano solo un accenno di energia — più o meno quanto un’onda radio. Ciò le rende impercettibili ai tradizionali rivelatori di particelle. (Le collisioni di protoni all’LHC, ad esempio, racchiudono circa un quintilione di volte più energia.)

I fisici hanno sviluppato strategie che sperano possano dare i loro frutti. Una delle idee più promettenti consiste nell’utilizzare una camera ultra-fredda pervasa da un forte campo magnetico simile a una radio, sintonizzandola su specifiche lunghezze d’onda. Se un assione dovesse trovarsi in risonanza, ovvero avere la stessa lunghezza d’onda della camera, avrebbe la possibilità di trasformarsi in qualcosa di molto più facile da rilevare: una particella di luce. Il primo rivelatore a grandezza naturale, chiamato «haloscope», fu costruito al Lawrence Livermore National Laboratory nel 1994; oggi esiste una schiera di rivelatori in tutto il mondo, con nomi acronimi bizzarri come MADMAX e ABRACADABRA.

Armeggiare con una radio cosmica per ascoltare una rara particella invisibile è complicato e richiede sensori quantistici raffreddati a temperature dell’ordine dei millikelvin, una frazione di grado sopra lo zero assoluto. E nemmeno questo elimina del tutto il rumore di fondo. «A un certo punto, nel nostro esperimento abbiamo rilevato un “messaggio da Dio”», mi racconta Rybka con ironia. «Abbiamo controllato nell’assegnazione dello spettro della FCC. Era una stazione radio che trasmetteva programmi religiosi».

Finora, i fisici delle particelle hanno setacciato una porzione compresa tra il 10% e il 20% dello spazio dei parametri — l’area su un grafico che mostra quanto la materia oscura possa essere massiccia e interattiva — dove potrebbe esistere un assione in grado di risolvere il problema della simmetria CP forte. Ma la ricerca degli assioni potrebbe non finire qui. I fisici stanno cercando anche assioni che non risolvano il problema della simmetria CP forte, ma che potrebbero comunque costituire materia oscura. «Sempre più persone stanno pensando a modelli specifici per la materia oscura, anche senza collegarli ad alcun altro problema», afferma Stefania Gori, teorica presso l’Università della California, Santa Cruz. «Naturalmente», aggiunge, «se si riesce a risolvere più di un problema alla volta, è ancora meglio».

Una rivoluzione silenziosa

Poiché la materia oscura continua a non essere rilevata, i fisici hanno abbandonato alcuni dei loro desiderata teorici. I candidati moderni non hanno bisogno della praticità dei WIMP né della pulita semplicità degli assioni; devono solo soddisfare i requisiti della materia oscura.

Il simbolo di questi candidati senza pretese è la materia oscura a bassa massa, così chiamata perché ha un peso compreso tra quello di un elettrone e quello di un protone. Se un WIMP è una palla da biliardo, la materia oscura a bassa massa è una pallina da ping-pong, spiega Rouven Essig, teorico presso la Stony Brook University. Proprio come una pallina da ping-pong che colpisce i birilli, la materia oscura a bassa massa non avrebbe abbastanza massa per produrre un segnale chiaro in seguito a una collisione con i nuclei atomici. «Era necessario trovare davvero nuove idee su come rilevare i segnali e, naturalmente, anche nuove tecnologie», afferma Essig.

I ricercatori hanno progettato nuovi rivelatori e li hanno installati in laboratori sotterranei in tutto il mondo — spesso proprio accanto ai loro predecessori dedicati al rilevamento dei WIMP. Alcune delle nuove apparecchiature cercano prove che le particelle abbiano urtato gli elettroni e li abbiano ionizzati. Altre scrutano all’interno di cristalli i cui reticoli dovrebbero vibrare leggermente dopo un urto con una particella di questo tipo. Esistono persino prototipi che cercano indizi nell’elio liquido, un superfluido sensibile che dovrebbe produrre uno spruzzo quando viene colpito da materia oscura incidente.

C’è però un intoppo: il rumore. Mentre tutti gli esperimenti di rilevamento della materia oscura sono ostacolati dal rumore proveniente dall’esterno, le ricerche di particelle a bassa massa risentono anche del frastuono intrinseco dei loro mezzi di rilevamento. I reticoli atomici, come quelli all’interno dei cristalli, sono simili a un vagone della metropolitana affollato, naturalmente inclini a scuotere e spintonare i loro passeggeri elettronici. Non è certo lo spazio silenzioso che si desidera se si sta cercando la materia oscura.

Questo rumore ha creato delle difficoltà. Nel 2020, un numero sorprendente di quelli che i fisici chiamano “eventi in eccesso” è emerso in una serie di rivelatori alla ricerca di materia oscura a bassa massa. Alcuni fisici si sono chiesti: potrebbero essere un segnale della materia oscura? Sfortunatamente, il rumore all’origine della maggior parte di queste letture è stato identificato, e la risposta è un “no” piuttosto categorico.

Il rumore di fondo può provenire da qualsiasi fonte: impurità nei rivelatori a base di silicio, materiali che sono rimasti troppo a lungo sulla superficie terrestre (i raggi cosmici li rendono leggermente radioattivi). In un esperimento, un rivelatore cristallino è stato serrato con troppa forza; la pressione in eccesso ha causato vibrazioni che sembravano prove della presenza di materia oscura. «È sempre stato vero che comprendere quei rumori di fondo è stato difficile», afferma Dan McKinsey, sperimentatore presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. «Ma abbiamo cambiato approccio così rapidamente che improvvisamente, come comunità, non capiamo più quali siano i rumori di fondo principali».

Riuscire a gestire quel rumore di fondo è fondamentale, soprattutto ora che gli esperimenti per rilevare la materia oscura a bassa massa stanno diventando più grandi. Tra qualche anno, ad esempio, McKinsey e i suoi colleghi hanno in programma di installare una serie di esperimenti da tavolo a Modane, in Francia, sotto 1.700 metri di roccia solida al confine con l’Italia. Uno di questi consiste in un recipiente contenente circa un cucchiaio di elio liquido ultrafreddo. Se una particella di materia oscura a bassa massa colpisce il liquido, genererà una vibrazione che proietterà verso l’alto migliaia di atomi di elio, dove dei rivelatori al silicio rileveranno microscopici cambiamenti di tensione. Altre configurazioni utilizzeranno cristalli di zaffiro-silice e arseniuro di gallio, un semiconduttore.

Questi esperimenti aiuteranno i ricercatori a individuare gli approcci migliori da utilizzare per rivelatori più grandi, più sensibili — e più costosi. «Ci sono ancora molte idee, e non è ancora del tutto chiaro quale sarà la migliore da sviluppare su larga scala», afferma Essig. Per ora, se un dispositivo sta su un tavolo e può plausibilmente rilevare la materia oscura, i fisici sono disposti a provarlo.

La gravità estrema

Il terreno di caccia della materia oscura si estende oltre la superficie di qualsiasi tavolo, o persino della Terra stessa. Alcuni ricercatori hanno suggerito di cercare questa materia non nei laboratori sotterranei, ma su pianeti, stelle e lune. Se le particelle di materia oscura occasionalmente si annichiliscono quando si incontrano, potrebbero ionizzare l’idrogeno nell’atmosfera di un pianeta, creando un’aurora ultraviolettaHYPERLINK “https://arxiv.org/abs/2408.15318”  visibile dallo spazio . Questo autoannichilimento potrebbe anche costituire una potente fonte di calore, sufficiente a fondere il nucleo di un pianeta. Il fatto che il nucleo terrestre sia solido pone dei limiti alle caratteristiche della materia oscura, e misurare con maggiore precisione le temperature dei nuclei planetari potrebbe imporre vincoli ancora più rigorosi.

La ricerca di segni astrofisici della materia oscura non è una novità, ma negli ultimi anni i fisici hanno dato sfogo a proposte quasi artistiche. Un suggerimento particolarmente suggestivo: osservare l’oceano ghiacciato di Ganimede, la luna di Giove. Se la materia oscura fosse davvero molto pesante — forse un buco nero primordiale — potrebbe perforarne la superficie e lasciare un cratere dall’aspetto molto diverso da quello causato da un asteroide.

Alcuni fisici delle particelle ritengono che sarebbe meglio abbandonare tutte le ipotesi esistenti e riorientare la ricerca. «Tutto ciò che sappiamo sulla materia oscura deriva dalla sua interazione con la gravità», afferma Zurek del Caltech. Se ci si concentra più specificamente su tale interazione, aggiunge, almeno «si ha la garanzia di imparare qualcosa». Sappiamo come si comporta la materia oscura alla scala dell’universo osservabile, fino al livello delle galassie. «Al di sotto di tale scala, sappiamo davvero molto poco su come la materia oscura collassi sotto il peso della gravità», afferma Zurek. Come, ad esempio, si agglomera a livello di un sistema solare?

Negli ultimi anni i fisici hanno dato sfogo a una creatività quasi artistica nelle loro proposte. Un suggerimento particolarmente suggestivo: osservare l’oceano ghiacciato di Ganimede, la luna di Giove.

Non si tratta di un progetto da «anno prossimo» o da «prossimi cinque anni». Le tecnologie di cui dispongono oggi i fisici semplicemente non sono abbastanza sensibili per rilevare queste interazioni gravitazionali. Quindi Zurek pensa a lungo termine. A lunghissimo termine. «Ci vorranno decenni, probabilmente 100 anni», ammette. «Potrebbe non essere qualcosa che vedrò nella mia vita».

Un giorno — magari monitorando i tempi di rotazione di pulsar lontane (i resti rotanti di stelle morte) o misurando lievi perturbazioni nell’interazione gravitazionale tra atomi sospesi nei laser — i fisici potrebbero scoprire di più sulla vera natura della materia oscura.

Per ora, la portata del problema sembra scoraggiante, soprattutto se paragonata a quelle che i fisici delle particelle hanno affrontato in passato. Prima ancora che l’LHC venisse avviato, ad esempio, chi era alla ricerca del bosone di Higgs aveva già circoscritto il proprio obiettivo. Sapevano, grazie a rigorosi calcoli teorici e solide misurazioni sperimentali, che se il bosone fosse esistito, avrebbe dovuto avere una massa compresa tra 120 e 150 volte quella di un protone. Poco dopo che l’LHC ha iniziato a far scontrare i protoni, il bosone di Higgs è emerso dai dati, con una massa pari esattamente a 133 volte quella di un protone.

La materia oscura, al contrario, rimane un mistero quasi totale. Rybka paragona le ipotesi sulla sua massa o sulla forza delle sue interazioni a «estrarre numeri da un cappello». «Non sappiamo letteralmente nemmeno che aspetto abbia il cappello», aggiunge.

Con così tante incognite, il successo è tutt’altro che certo e i ricercatori non si fanno illusioni. «Non c’è alcuna garanzia di scoperta. Potresti sprecare completamente il tuo tempo», afferma Essig.

Nulla di tutto ciò ha dissuaso né lui né gli altri. «È semplicemente la natura del problema. Dobbiamo cercare in lungo e in largo ed esplorare molte cose», dice Essig. «Se non ti piace, fai qualcos’altro».

Dan Garisto è un giornalista freelance specializzato in fisica con sede a Syracuse, New York.