La Materia Oscura: dal CERN al Cosmo Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy) marco.giammarchi@mi.infn.it http://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/ Perché la Materia Oscura Identità della Materia Oscura La ricerca di Materia Oscura agli acceleratori di particelle (CERN) La ricerca di Materia Oscura nei laboratori «astrofisici» e nello spazio Conclusioni (aperte) 17/06/2018 Planetario di Milano

1. Perché la Materia Oscura? 1. Perché la Materia Oscura? Consideriamo il Sistema Solare Calcoliamo le velocità dei pianeti Gravitazione Universale Ci dice come la velocità cambia in funzione della distanza del Pianeta dal Sole 17/06/2018 Planetario di Milano

Lo stesso tipo di calcolo può essere condotto per studiare la velocità delle stelle nelle galassie. Il risultato di questi studi (ad esempio nella nostra Galassia) mostra una grandissima deviazione dal regime gravitazionale (kepleriano). Le stelle centrali hanno velocità piccole. Quando la maggior parte della massa sta all’interno dell’orbita si raggiungono le velocità più elevate. Stelle periferiche della Galassia hanno velocità superiori al caso Kepleriano (Zwicky, 1933) 17/06/2018 Planetario di Milano

Un alone di Materia Oscura. Per mantenere costante la velocità delle stelle, occorre la presenza di massa a grandi distanze, nella forma di un alone. Un alone di Materia Oscura. Materia Oscura : Non emette radiazione elettromagnetica Non assorbe radiazione elettromagnetica Come facciamo a studiare la Materia Oscura? Tramite la Legge di Gravitazione Universale. In che senso? 17/06/2018 Planetario di Milano

La gravitazione è una forza «diversa» dalle altre La Relatività Generale è una teoria della Gravitazione che rispetta il principio di equivalenza (Albert Einstein, 1915). Campo E (in un campo elettrico) Campo G (in un campo g) Immaginiamo una particella m,q che si muova in un campo elettrico o uno gravitazionale Ma se la gravitazione non dipende da nessuna caratteristica del corpo allora essa e’ una proprieta’ dello spaziotempo. Il moto NON dipende da come è fatta la particella Il moto dipende da come è fatta la particella Teoria geometrica della gravità. Curvatura dello spaziotempo 17/06/2018 Planetario di Milano

Rappresentazione dello spaziotempo La Gravità di Einstein La Relatività Generale è una teoria geometrica della Gravità proposta da Albert Einstein nel 1915 La Relatività Generale comprende la Relatività Speciale e la Teoria Newtoniana della Gravitazione. La gravità è descritta come una proprietà geometrica dello spaziotempo. Massa Energia Rappresentazione dello spaziotempo 17/06/2018 Planetario di Milano

Il concetto di interazione elementare Newton Azione a distanza Faraday Maxwell Il Campo Campi quantistici (scambio di quanti) Gravità (curvatura dello spaziotempo) Niente può sfuggire alla Gravità. Quindi possiamo caratterizzare la Materia Oscura con i suoi effetti gravitazionali. 17/06/2018 Planetario di Milano

Supponiamo costante nel bulge galattico Usando la Legge di Gravitazione Universale, ricaviamo la forma dell’alone di Materia Oscura (Dark Matter, DM) ρ Supponiamo costante nel bulge galattico Termina perchè la massa della Galassia è finita. 1/r2 17/06/2018 Planetario di Milano r

Come la presenza di Materia Oscura risolve il problema della velocità di rotazione delle stelle nella Galassia. Esempio: NGC 6503. NGC 6503, una piccola galassia a spirale che dista 17 milioni di anni luce nella direzione della costellazione del Drago. La sua dimensione è di circa called 30,000 anni luce. Senza la Materia Oscura non vi è possibilità di spiegare la curva di velocità delle stelle nella galassia. E in tante altre galassie simili (tra cui la nostra). 17/06/2018 Planetario di Milano

Materia Oscura fuori da Galassie singole vicine Le osservazioni del Telescopio Spaziale Hubble mostrano (dal 1995) che molte galassie appaiono deformate Gli effetti di “lensing” gravitazionale sono numerosissimi 17/06/2018 Planetario di Milano

Lenti gravitazionali La presenza di Materia Oscura può curvare il percorso della luce facendo apparire archi, cerchi (croci di Einstein) Questi studi hanno permesso di valutare che circa il 90% della massa dell’Universo è nella forma di Materia Oscura! 17/06/2018 Planetario di Milano

L’evidenza di Materia Oscura è su varie scale! Ammassi di Galassie Le Galassie nell’Universo sono raggruppate in ammassi di Galassie (Clusters). Come pesare una Galassia ? Questi studi mostrano in modo molto chiaro che : Le Galassie non starebbero ammassate nei clusters in questo modo senza la presenza di extra-massa (Materia Oscura, che agisce gravitazionalmente). L’evidenza di Materia Oscura è su varie scale! M vi è anche l’evidenza Cosmologica. 17/06/2018 Planetario di Milano

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Energy budget dell’Universo Gli studi cosmologici hanno permesso di valutare : Energy budget dell’Universo Stars and galaxies are only ~0.5% Neutrinos are ~0.3–10% Rest of ordinary matter (electrons and protons) are ~5% Dark Matter ~30% Dark Energy ~65% Anti-Matter 0% Higgs condensate ~1062%?? 17/06/2018 Planetario di Milano

2. Identità della Materia Oscura Materia Oscura Barionica : Pianeti Polvere interstellare MACHO (Massive Compact Halo Objects): buchi neri, nane brune… 10 % Ruolo nell’Universo Primordiale (abbondanza cosmica deuterio) Materia Oscura Non-Barionica: WIMP (Weakly Interacting Massive Particles): particelle massive (gravità!), debolmente interagenti con materia ordinaria (si vedrebbero interagire in modo elettromagnetico). Devono essere particelle “nuove”. 90 % Le uniche forme di Materia (Oscura o no) che potevano avere un ruolo nell’Universo Primordiale sono quelle in forma di particelle  WIMPs. La ricerca di Materia Oscura è ricerca di WIMP’s 17/06/2018 Planetario di Milano

La ricerca di Materia Oscura è ricerca di WIMP’s Particelle SUSY Supersimmetriche? La Supersimmetria è una simmetria di alta energia che prevede l’esistenza di particelle SUSY con spin uno-per-uno opposto alle particelle standard Il migliore candidato supersimmetrico a costituire la Materia Oscura è la particella supersimmetrica più leggera: il NEUTRALINO. Vi sono altri candidati possibili. Le interazioni delle WIMP dovrebbero essere gravitazionali e nucleari deboli. 17/06/2018 Planetario di Milano

Le Interazioni Fondamentali e la Materia Oscura (Dark Matter, DM) Interazione Gravitazionale: note da sempre. Teoria classica (A. Einstein) nel 1915. Responsabili della stabilità della materia su scala macroscopica. Interazione Nucleare Forte: a corto raggio di azione: 10-15 m. Riguarda la DM? Si, riguarda tutto Riguarda la DM? No, altrimenti ci sarebbero adroni fatti di DM Interazione Elettromagnetica: Riguarda le interazioni tra particelle cariche (stabilità atomica). Interazione Nucleare Debole: a corto raggio (subnucleare). Riguarda la DM? Si, probabilmente Riguarda la DM? No, altrimenti si vedrebbe 17/06/2018 Planetario di Milano

3. Ricerca di Materia Oscura al CERN (ricerca di WIMP, ricerca di SUSY) Il più grande acceleratore di particelle del mondo, il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra. Circonferenza di 27 km. Tunnel di LHC, CERN (Ginevra) Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa 17/06/2018 Planetario di Milano

Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra Il programma di studio comprende la ricerca di particelle SUSY (candidati WIMPs) 17/06/2018 Planetario di Milano

ATLAS e CMS (e altri due rivelatori, ALICE e LHCb) 17/06/2018 Planetario di Milano

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4. Ricerca di Materia Oscura in laboratori “astroparticle” e nello spazio Se si trovassero candidati WIMP (particelle SUSY) al CERN, si dovrebbe poi dimostrare che esse svolgono il ruolo astrofisico della materia oscura. Esistono due approcci più astrofisici (o più diretti) alla Materia Oscura : Misurare l’interazione (debole) della Materia Oscura con la materia ordinaria Osservare – nelle Galassie – I risultati della annichilazione di Materia Oscura. Siccome la Materia Oscura è presente nella nostra Galassia (vicino al centro, vicino al Sole, dappertutto), l’idea è che il rivelatore urti contro particelle WIMP. L’interazione debole WIMP-nuclei potrebbe portare alla loro rivelazione. Misurando il rinculo nucleare. 17/06/2018 Planetario di Milano

Esperimento DarkSide al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso (urti di WIMP contro nuclei di Ar liquido) Lo studio di Dark Matter richiede rivelatori: Massivi (perchè la sezione d’urto è bassa) Radiopuri (per non confondere i segnali da WIMP con la radioattività naturale) 17/06/2018 Planetario di Milano

Esperimento Xenon al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso I risultati degli esperimenti di questo tipo vengono espressi nei termini di massa della WIMP e di sua probabilità di interazione (sezione d’urto) 17/06/2018 Planetario di Milano

E questo grafico è solo indicativo. Risultati degli esperimenti : l’evidenza di Materia Oscura è… non schiacciante. E questo grafico è solo indicativo. 17/06/2018 Planetario di Milano

Che tipo di segnali potrebbe dare la Materia Oscura? L’altra possibilità : osservare annichilazioni di Materia Oscura nello spazio. Il cielo gamma di Fermi ! Che tipo di segnali potrebbe dare la Materia Oscura? Non è univocamente definito, ma le possibilità più ragionevoli… 17/06/2018 Planetario di Milano

Annichilazione di Materia Oscura in particelle ordinarie Decadimento di Materia Oscura in particelle ordinarie Positron fraction Positron+Electron Queste ricerche cercano una componente di positroni con una configurazione spettrale diversa da quelle note (sincrotrone, Compton inverso) e che potrebbe provenire dai decadimenti o annichilazioni di WIMPs 17/06/2018 Planetario di Milano

Grazie per l’attenzione! Conclusione (aperta) 90% della materia nell’Universo è in una forma che non conosciuamo (Materia Oscura, Dark Matter) Se consideriamo l’Energia Oscura (Dark Energy), il 95% dell’energia-massa dell’Universo ci è sconosciuta (70% DE + 25% DM). Gli effetti della Materia Oscura sono presenti Su tutte le scale spaziali Su tutte le scale temporali La ricerca sulla Materia Oscura è attiva su tantissimi fronti: Produzione in acceleratori di particelle (LHC) Ricerche in laboratori sotterranei Ricerca di segnali provenienti dallo spazio Altre idee? Grazie per l’attenzione! 17/06/2018 Planetario di Milano

Backup Slides 17/06/2018 Planetario di Milano

Cold or Hot ? Neutrinos? I neutrini? (sono numerosissimi, massivi) Potrebbero rappresentare una parte della Materia Oscura (quella presente in ammassi e super-ammassi di galassie) Non possono rappresentare la Materia Oscura in singole galassie (troppo relativistico, sfugge dalla galassia) In questo senso il neutrino è un esempio di Materia Oscura “calda” (Hot) Ma sembra necessario che esista Materia Oscura “fredda” (cold) Massiva quanto basta per essere nonrelativistica al momento del suo disaccoppiamento con il resto dell’Universo La Materia Oscura fredda è stata decisiva per la formazione delle strutture (protogalassie) nell’Unvierso dopo la Dark Age. 17/06/2018 Planetario di Milano

remarkable fact: dark matter is only needed in galaxies once MOND Milgrom (1984) noticed a remarkable fact: dark matter is only needed in galaxies once the acceleration due to gravity dips below a0 = 10-8 cm/s2 ~ cH0. He proposed a phenomenological force law, MOND, in which gravity falls off more slowly when it’s weaker: 1/r2, a > a0, F ~  1/r, a < a0. 17/06/2018 Planetario di Milano

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Bullet Cluster 17/06/2018 Planetario di Milano