La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

LUniverso oscuro intorno a noi Osservazioni astrofisiche e cosmologiche indicano che la componente principale di Materia Oscura è in forma di particelle.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "LUniverso oscuro intorno a noi Osservazioni astrofisiche e cosmologiche indicano che la componente principale di Materia Oscura è in forma di particelle."— Transcript della presentazione:

1 LUniverso oscuro intorno a noi Osservazioni astrofisiche e cosmologiche indicano che la componente principale di Materia Oscura è in forma di particelle subatomiche che non fanno parte del Modello Standard. Varie attività sperimentali nel mondo si propongono di rivelare tali particelle, che provengono dal cosmo, utilizzando vari tipi di rivelatori e tecniche sperimentali diverse. Ciò che vediamo con i telescopi tradizionali: le stelle, i pianeti, le comete, i gas intergalattici, ecc., rappresenta solo una piccola parte della materia che compone lUniverso. La componente più cospicua è, infatti, costituita da una forma di materia che non emette nè assorbe radiazione luminosa; ad essa è stato dato il nome di Materia Oscura. Le osservazioni astronomiche che si sono susseguite nel corso degli ultimi 80 anni hanno confermato lesistenza della Materia Oscura mentre rimane ancora aperto il problema fondamentale che riguarda la sua natura e la sua composizione. La Materia Oscura ha un ruolo molto importante per capire levoluzione dellUniverso. La teoria del Big Bang e le teorie dellevoluzione dellUniverso e della formazione delle galassie prevedono una presenza preponderante di Materia Oscura rispetto alla materia ordinaria e forniscono restrizioni importanti circa la sua natura e la sua composizione.

2 Evidenze sperimentali sullesistenza della Materia Oscura Numerose altre evidenze sperimentali dellesistenza della Materia Oscura nellUniverso sono state ottenute negli anni successivi. Tra esse ricordiamo: la misura della velocità di rotazione della Grande Nube di Magellano intorno alla nostra Galassia che risulta maggiore di quella attesa considerando lattrazione gravitazionale della sola massa visibile, lo studio dei raggi X emessi dalle nubi di gas che circondano le galassie ellittiche, la distribuzione delle velocità del plasma caldo intergalattico negli ammassi di galassie. La prima evidenza sperimentale dellesistenza di Materia Oscura nellUniverso è dovuta alle misure delle velocità delle galassie che compongono lammasso COMA eseguite da Zwicky nel Queste osservazioni mostrarono che la sola componente visibile di materia non poteva dare conto delle velocità misurate e che la materia non luminosa era presente nellammasso in percentuale nettamente superiore rispetto alla materia visibile. Pochi anni più tardi nel 1936 Smith confermò lesistenza di Materia Oscura studiando lammasso di galassie della Vergine. Uno studio sistematico che accredita lesistenza di Materia Oscura anche a livello di singole galassie è stato eseguito nel 1974 da due diversi gruppi, considerando molte galassie a spirale.

3 Effetti gravitazionali della Materia Oscura presente nelle galassie la velocità di rotazione degli oggetti astrofisici, che fanno parte di una galassia a spirale e si trovano ad una distanza R dal centro, dipende dalla massa della materia contenuta nella sfera di raggio R. Nel caso di sola materia luminosa, gli oggetti molto distanti dal centro della galassia, ovvero che si trovano La Via Lattea Anche la nostra Galassia contiene al suo interno un alone oscuro che la pervade. Vediamo qui in particolare come è stato possibile evidenziare la presenza di Materia Oscura nelle galassie a spirale: al di fuori del disco luminoso ma ancora allinterno della galassia, dovrebbero avere una velocità che decresce allaumentare di R. Le misure sperimentali mostrano, invece, che tali oggetti hanno velocità quasi costante per grandi valori di R. Tale risultato indica che deve esistere unaltra componente di materia, non visibile, detta alone oscuro, che contribuisce alla massa della galassia in modo tale da dare conto delle velocità di rotazione misurate. Nel grafico sono mostrati i contributi alla velocità rotazionale degli oggetti astrofisici dovuti: al disco luminoso, al gas della galassia, allalone oscuro. Lalone oscuro costituisce la componente che ha massa maggiore.

4 Sostegni teorici sullesistenza della Materia Oscura nellUniverso Le teorie sullevoluzione dellUniverso, che descrivono la formazione delle galassie e degli ammassi di galassie, richiedono che lUniverso sia costituito da una parte preponderante di Materia Oscura. Inoltre queste teorie, insieme con le osservazioni sullanisotropia della radiazione di fondo cosmico a microonde (CMB), forniscono restrizioni circa la natura della Materia Oscura. La teoria cosmologica del Big Bang che descrive levoluzione dellUniverso prevede, negli scenari teorici più accreditati, che la densità di materia dellUniverso espressa in unità opportune sia =1. La materia luminosa contribuisce ad solo per circa l1% ! Altre forme di materia devono quindi dominare nellUniverso. Le teorie attuali prevedono che la Materia Oscura contribuisca ad per circa il 30%. Il rimanente circa 70% sarebbe dovuto ad una forma di energia diffusa, detta oscura.

5 La natura della Materia Oscura nellUniverso La Materia Oscura non barionica è suddivisa a sua volta in due categorie: Materia Oscura Calda e Materia Oscura Fredda a seconda della velocità, rispettivamente relativistica (prossima alla velocità della luce) o non relativistica, che queste particelle possedevano in una fase successiva al Big Bang. La Materia Oscura viene classificata in barionica e non barionica a seconda della natura dei suoi candidati. Le osservazioni attuali sullabbondanza dei nuclei leggeri nel cosmo (Deuterio, Elio, Litio) insieme alle previsioni teoriche sulla loro formazione nellUniverso primordiale (Nucleosintesi) indicano che la materia barionica presente nellUniverso non può contribuire più di circa il 4% ad Ω. Le teorie che descrivono levoluzione dellUniverso indicano che la Materia Oscura non barionica fredda deve essere presente in percentuale molto consistente rispetto alle altre componenti di materia e deve essere costituita da particelle subatomiche neutre, relitte dal Big Bang, che hanno interazione debole con la materia ordinaria.

6 Particelle di Materia Oscura e candidati Attualmente le particelle maggiormente accreditate come Materia Oscura non barionica sono le WIMP. Con il termine WIMP si indica una classe di particelle, che possono avere differente natura, ma che posseggono alcune caratteristiche comuni. In particolare, tali particelle - prodotte nelle prime fasi dellUniverso successive al Big Bang - devono essere neutre, massive e sperimentare interazione debole con la materia ordinaria. Queste caratteristiche fanno sì che nellUniverso attuale esista una significativa abbondanza relitta di WIMP. Anche alcune particelle supersimmetriche, come ad esempio il neutralino, sono buoni candidati WIMP. Molte sono le particelle che sono state considerate come possibili costituenti della Materia Oscura non barionica dellUniverso: neutrini con massa non nulla, assioni, WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), Q-balls, monopoli magnetici, ecc. Molte ricerche sperimentali sono attualmente in corso per investigare la presenza di WIMP nella nostra Galassia. Le WIMP possono essere rivelate seguendo la tecnica della rivelazione diretta o la tecnica della rivelazione indiretta.

7 La rivelazione indiretta delle WIMP Questa tecnica si basa sulla misura del flusso delle particelle prodotte nellannichilazione delle WIMP. Infatti, le WIMP che si trovano nellalone galattico e/o che sono addensate allinterno dei corpi celesti (come la Terra o il Sole) possono interagire tra loro ed annichilarsi producendo particelle secondarie (neutrini, muoni, antiprotoni, fotoni, positroni,...). Queste particelle possono, quindi, essere rivelate da opportuni apparati sperimentali posti sulla Terra o nello spazio. W W W-W W SOLE TERRA W rivelatore W W Esempio di rivelazione indiretta di WIMP attraverso i neutrini muonici prodotti dallannichilazione di WIMP catturate allinterno del Sole

8 La rivelazione diretta delle WIMP Questa tecnica si basa sullo studio dellinterazione elastica delle WIMP con i nuclei che costituiscono il rivelatore utilizzato. Quando una WIMP attraversa il rivelatore vi è una certa probabilità che essa urti un nucleo, che rincula; lenergia di rinculo del nucleo è, quindi, la grandezza misurata. Varie tecniche sperimentali e diversi tipi di rivelatori sono utilizzati a tale scopo. WIMP Nucleo WIMP Energia di rinculo

9 La modulazione annuale del segnale Per evidenziare la presenza delle WIMP nella nostra Galassia è possibile utilizzare la marcatura della modulazione annuale del tasso di conteggio. 3) deve essere massimo intorno al 2 Giugno e minimo nel mese di Dicembre; 4) deve essere presente in un determinato intervallo di bassa energia, dove le WIMP possono indurre rinculi nucleari; 5) dato che la probabilità che una WIMP abbia interazioni in più rivelatori è estremamente piccola, deve coinvolgere - per ogni evento di WIMP - un solo rivelatore; 6) deve presentare unampiezza di modulazione dell'ordine circa del 7%. Non si conosce a tuttoggi nessun fenomeno fisico, eccetto le WIMP, che dia un segnale con queste caratteristiche peculiari A causa del moto di rivoluzione della Terra attorno al Sole, che a sua volta si muove nella Galassia, il flusso delle WIMP che attraversano la Terra varia durante lanno. In particolare il flusso è massimo in Giugno, quando le velocità del Sole e della Terra nel sistema di riferimento della Galassia si sommano, mentre è minimo sei mesi più tardi, in Dicembre, quando tali velocità hanno verso opposto. December June Pertanto il segnale rivelato dagli apparati sperimentali dovuto alle WIMP deve soddisfare alcuni requisiti molto stringenti: L'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e' impegnato da tempo attivamente nell'investigazione delle particelle costituenti la Materia Oscura dell'Universo; in particolare, l'esperimento DAMA presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso esplora la presenza di WIMP nell'alone galattico mediante lo studio della marcatura della modulazione annuale. 1) deve avere un andamento modulato in accordo con una funzione cosinusoidale; 2) deve avere un periodo di un anno (tempo che impiega la Terra a compiere una rivoluzione completa);

10 Un esperimento completo: DAMA/NaI DAMA (DArk MAtter experiment), presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dellIstituto Nazionale di Fisica Nucleare, è un esperimento che investiga la presenza delle WIMP nella Galassia studiando la marcatura della modulazione annuale e utilizzando rivelatori di NaI(Tl) a bassa radioattività intrinseca. Lesperimento ha utilizzato 9 rivelatori a scintillazione di NaI(Tl) che componevano un apparato di circa 100 kg di massa-bersaglio ed ha raccolto dati per 7 cicli annuali. Inoltre, le caratteristiche uniche dei rivelatori di NaI(Tl) usati, la loro estrema radio-purezza, la grande massa-bersaglio a disposizione, e laccurato controllo delle condizioni di misura hanno permesso a questo esperimento di poter investigare con efficacia la marcatura della modulazione annuale La schermatura della roccia sovrastante ed alcune altre sue caratteristiche di fondo ridotto, rendono i LNGS un sito ideale per la ricerca di eventi rari

11 I risultati ottenuti in 7 cicli annuali da DAMA/NaI I dati sperimentali raccolti nei 7 cicli annuali hanno evidenziato la presenza di un segnale modulato che soddisfa tutti i requisiti della marcatura della modulazione annuale. Time (day) Questo risultato indica con significativo livello di confidenza la presenza di particelle di Materia Oscura nella nostra Galassia. 2-6 keV In questa figura sono riportati sia i punti sperimentali che la curva attesa per un segnale dovuto alle WIMP. Il tasso di conteggio misurato sperimentalmente varia e segue un andamento cosinusoidale con periodo di un anno e fase intorno al 2 Giugno. Nessun effetto sistematico o processo in concorrenza in grado di dar conto delleffetto osservato e simulare la marcatura è stato riscontrato.

12 Esperimento di II generazione al Gran Sasso e prospettive Lapparato DAMA/NaI ha terminato la presa dati nel Luglio del 2002 ed è stato sostituito da un nuovo apparato di più elevata sensibilità chiamato DAMA/LIBRA (Large sodium Iodide Bulk for RAre precesses). DAMA/LIBRA è composto da 25 rivelatori di NaI(Tl) molto radio-puri per un totale di circa 250 kg di massa-bersaglio. Questo nuovo apparato, grazie alla sua grande massa ed alle sue migliorate caratteristiche, consentirà di proseguire e approfondire le ricerche fin qui eseguite e di investigare in modo più efficace la natura delle particelle di Materia Oscura.


Scaricare ppt "LUniverso oscuro intorno a noi Osservazioni astrofisiche e cosmologiche indicano che la componente principale di Materia Oscura è in forma di particelle."

Presentazioni simili


Annunci Google