L’Universo oscuro intorno a noi 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 l’Universo. 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. La Materia Oscura ha un ruolo molto importante per capire l’evoluzione dell’Universo. La teoria del Big Bang e le teorie dell’evoluzione dell’Universo 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. Le osservazioni astronomiche che si sono susseguite nel corso degli ultimi 80 anni hanno confermato l’esistenza della Materia Oscura mentre rimane ancora aperto il problema fondamentale che riguarda la sua natura e la sua composizione. 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.

Evidenze sperimentali sull’esistenza della Materia Oscura La prima evidenza sperimentale dell’esistenza di Materia Oscura nell’Universo è dovuta alle misure delle velocità delle galassie che compongono l’ammasso COMA eseguite da Zwicky nel 1933. 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 nell’ammasso in percentuale nettamente superiore rispetto alla materia visibile. Pochi anni più tardi nel 1936 Smith confermò l’esistenza di Materia Oscura studiando l’ammasso di galassie della Vergine. Uno studio sistematico che accredita l’esistenza di Materia Oscura anche a livello di singole galassie è stato eseguito nel 1974 da due diversi gruppi, considerando molte galassie a spirale. Numerose altre evidenze sperimentali dell’esistenza della Materia Oscura nell’Universo 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 l’attrazione 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.

Effetti gravitazionali della Materia Oscura presente nelle galassie Vediamo qui in particolare come è stato possibile evidenziare la presenza di Materia Oscura nelle galassie a spirale: 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. al di fuori del disco luminoso ma ancora all’interno della galassia, dovrebbero avere una velocità che decresce all’aumentare 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 un’altra 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, all’alone oscuro. L’alone oscuro costituisce la componente che ha massa maggiore.

Sostegni teorici sull’esistenza della Materia Oscura nell’Universo La teoria cosmologica del Big Bang che descrive l’evoluzione dell’Universo prevede, negli scenari teorici più accreditati, che la densità di materia dell’Universo espressa in unità opportune sia =1. La materia luminosa contribuisce ad  solo per circa l‘1% ! Altre forme di materia devono quindi dominare nell’Universo. Le teorie sull’evoluzione dell’Universo, che descrivono la formazione delle galassie e degli ammassi di galassie, richiedono che l’Universo sia costituito da una parte preponderante di Materia Oscura. Inoltre queste teorie, insieme con le osservazioni sull’anisotropia della radiazione di fondo cosmico a microonde (CMB), forniscono restrizioni circa la natura della Materia Oscura. 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.

La natura della Materia Oscura nell’Universo La Materia Oscura viene classificata in barionica e non barionica a seconda della natura dei suoi candidati. Le osservazioni attuali sull’abbondanza dei nuclei leggeri nel cosmo (Deuterio, Elio, Litio) insieme alle previsioni teoriche sulla loro formazione nell’Universo primordiale (Nucleosintesi) indicano che la materia barionica presente nell’Universo non può contribuire più di circa il 4% ad Ω. 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. Le teorie che descrivono l’evoluzione dell’Universo 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.

Particelle di Materia Oscura e candidati Molte sono le particelle che sono state considerate come possibili costituenti della Materia Oscura non barionica dell’Universo: neutrini con massa non nulla, assioni, WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), Q-balls, monopoli magnetici, ecc. 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 dell’Universo successive al Big Bang - devono essere neutre, massive e sperimentare interazione debole con la materia ordinaria. Queste caratteristiche fanno sì che nell’Universo attuale esista una significativa abbondanza relitta di WIMP. Anche alcune particelle supersimmetriche, come ad esempio il neutralino, sono buoni candidati WIMP. 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.

La rivelazione indiretta delle WIMP rivelatore W TERRA W W Esempio di rivelazione indiretta di WIMP attraverso i neutrini muonici prodotti dall’annichilazione di WIMP catturate all’interno del Sole nm W W W W-W SOLE Questa tecnica si basa sulla misura del flusso delle particelle prodotte nell’annichilazione delle WIMP. Infatti, le WIMP che si trovano nell’alone galattico e/o che sono addensate all’interno 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.

La rivelazione diretta delle WIMP Questa tecnica si basa sullo studio dell’interazione 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; l’energia di rinculo del nucleo è, quindi, la grandezza misurata. Varie tecniche sperimentali e diversi tipi di rivelatori sono utilizzati a tale scopo. WIMP WIMP Nucleo Energia di rinculo

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. 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 l’anno. 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: 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); 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 un’ampiezza di modulazione dell'ordine circa del 7%. Non si conosce a tutt’oggi nessun fenomeno fisico, eccetto le WIMP, che dia un segnale con queste caratteristiche peculiari 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.

Un esperimento completo: DAMA/NaI DAMA (DArk MAtter experiment), presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto 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. 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 Inoltre, le caratteristiche uniche dei rivelatori di NaI(Tl) usati, la loro estrema radio-purezza, la grande massa-bersaglio a disposizione, e l’accurato controllo delle condizioni di misura hanno permesso a questo esperimento di poter investigare con efficacia la marcatura della modulazione annuale http://www.lngs.infn.it/ L’esperimento 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.

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. 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. Time (day) Nessun effetto sistematico o processo in concorrenza in grado di dar conto dell’effetto osservato e simulare la marcatura è stato riscontrato. Questo risultato indica con significativo livello di confidenza la presenza di particelle di Materia Oscura nella nostra Galassia.

Esperimento di II generazione al Gran Sasso e prospettive L’apparato 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.