Una nuova ricerca suggerisce che se la materia oscura fosse composta da “fotoni oscuri”, questi non avrebbero riscaldato il cosmo primordiale come immaginavano gli scienziati. Se questa scoperta venisse confermata, potrebbe significare un cambio di paradigma nella ricerca della sostanza più misteriosa dell’universo.
La materia oscura resta un enigma perché, nonostante sia cinque volte più abbondante della materia ordinaria che forma le stelle, i pianeti e il nostro corpo, è praticamente invisibile. Questo perché non interagisce con la luce. La mancanza di interazione con la luce, a differenza di elettroni, protoni e neutroni, ha spinto la ricerca di particelle oltre il Modello Standard della fisica delle particelle, dando origine a diversi ipotetici candidati per la materia oscura.
Tra questi candidati c’è il fotone oscuro, che sarebbe la versione dell’universo oscuro di un fotone in grado di trasportare una forza diversa dall’elettromagnetismo, che è la funzione dei fotoni convenzionali.
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In passato, la teoria prevalente tra gli scienziati era che i fotoni oscuri si sarebbero trasformati in fotoni ordinari mentre erano ancora nel plasma caldo e denso che riempiva il cosmo primordiale. Questo processo comporterebbe un riscaldamento ancora maggiore di questo plasma già bollente e lascerebbe tracce rilevabili di fotoni oscuri.
Uno scenario del genere limitava fortemente i parametri di ricerca per l’esistenza dei fotoni oscuri, al punto che molte osservazioni cosmologiche ne escludevano la presenza.
Tuttavia, nuove simulazioni al computer indicano che il rifiuto dei fotoni oscuri potrebbe essere stato un po’ affrettato. La conversione dei fotoni oscuri in fotoni ordinari sarebbe cessata prima che si potesse verificare un riscaldamento significativo.
Questa nuova comprensione riporta nel gioco parametri di ricerca che erano stati precedentemente esclusi.
“Queste esclusioni suggeriscono che la forza della materia oscura dovrebbe essere 10^8 volte più debole di quanto possa essere in realtà”, ha affermato Anson Hook, membro del gruppo di ricerca dell’Università del Maryland. Ha aggiunto che “questo articolo apre molte nuove possibilità per la ricerca della materia oscura”.
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Il team dietro questa indagine ha iniziato a notare segnali che indicavano che la trasformazione dei fotoni oscuri in fotoni potrebbe non essere così semplice come precedentemente ipotizzato, quando si è reso conto che la quantità di energia coinvolta era sospettosamente grande. Il problema, cominciavano a sospettare, era che questo processo era stato considerato lineare; cioè, l’energia rilasciata si convertirebbe gradualmente e costantemente in plasma.
“Il trattamento degli ultimi 15 anni è un trattamento lineare. Se si utilizza questa approssimazione, è possibile calcolare la quantità di trasferimento di energia, ed è molto grande”, ha affermato Junwu Huang, un membro del team del Perimeter Institute. Ha ammesso: “E ho capito che non è possibile”.
Durante le prime simulazioni al computer, Huang e i suoi colleghi hanno scoperto che il processo lineare non offriva una rappresentazione completa della situazione.
“Ciò che abbiamo capito è che quando si converte l’energia nel plasma del Modello Standard, il plasma impazzisce”, ha detto Huang. “Ci sono molte non linearità nel sistema, e queste non linearità fondamentalmente interrompono la conversione dell’energia dopo che una piccola quantità di energia è stata convertita”.
La ricerca rappresenta una significativa espansione dei parametri in cui potrebbero esistere i fotoni oscuri, espandendo notevolmente questo metaforico “terreno di caccia”. Inoltre, potrebbe avere implicazioni per la ricerca di ipotetiche particelle che vanno oltre il Modello Standard della fisica delle particelle.
“Calcolando correttamente il plasma dell’universo primordiale, gli esperimenti sondaranno nuovi spazi parametrici e potenzialmente vedranno effettivamente qualcosa”, ha detto Mohamad Shalaby, anche lui membro del team del Perimeter Institute.