Un’illustrazione della NASA di una “stella di materia oscura”. (Credito immagine: NASA/JPL-Caltech) Hai mai guardato il cielo notturno e ti sei chiesto cosa non stai vedendo? I cieli potrebbero essere pieni di “stelle di bosoni” invisibili, fatte di una forma esotica di materia che non brilla. Sospettiamo fortemente che l’universo sia pieno di materia oscura, che costituisce circa il 25% di tutta la massa e l’energia nel cosmo. Ma mentre abbondano le prove circostanziali e crediamo che la materia oscura sia una sorta di particella non ancora scoperta, non abbiamo prove dirette di tale particella. Per un paio di decenni, abbiamo pensato di essere sulla strada giusta con un nuovo tipo di particella nota come particella massiccia debolmente interagente (WIMP). Predetta da varie teorie di supersimmetria, la WIMP avrebbe una massa compresa tra quelle delle particelle più pesanti conosciute, come il quark top. Ma altrimenti sarebbe in gran parte invisibile, interagendo con la materia normale solo occasionalmente. Ma le ricerche di WIMP non hanno trovato nulla. Va bene; la natura non è mai obbligata a seguire la nostra prima ipotesi. Fortunatamente, abbiamo un altro candidato particellare in attesa: l’assione. L’assione è stato introdotto per risolvere un problema spinoso riguardante la forza nucleare forte. Da tutte le osservazioni, la forza forte obbedisce a due importanti simmetrie in natura: carica e parità. Ciò significa che se prendi un’interazione della forza forte, inverti le cariche di tutte le particelle ai loro valori opposti e guardi la reazione allo specchio, otterrai lo stesso risultato. Ma nulla nella teoria stessa dice che dovrebbe obbedire a queste simmetrie. I fisici hanno tentato di risolvere questo problema aggiungendo essenzialmente un nuovo parametro alle equazioni e impostando quel parametro a zero, ma ciò sembrava un po’ forzato. Poi è arrivata una soluzione ingegnosa: forse quel nuovo parametro rappresentava un nuovo campo quantistico, e le interazioni con quel campo producevano naturalmente la simmetria. Questo era l’assione, così chiamato dal nome di una marca di detersivo per piatti perché ripuliva il disordine del problema della simmetria. Se gli assioni esistono, sarebbero un’eccellente materia oscura, perché sarebbero abbondanti e difficilmente, se mai, interagirebbero con la materia normale. E farebbero anche cose straordinarie. Gli assioni sono incredibilmente leggeri — trilioni su trilioni di volte più leggeri persino del neutrino, la particella più leggera conosciuta. Con masse così esigue, la loro natura ondulatoria quantistica si manifesterebbe su scale macroscopiche. Mentre ogni particella ha anche un’onda associata, di solito non notiamo o ci preoccupiamo di queste onde a meno che non stiamo trattando con sistemi quantistici subatomici. Non è così con l’assione, che può potenzialmente diffondere la sua lunghezza d’onda attraverso un’intera galassia. La seconda cosa interessante degli assioni è che sono bosoni. I bosoni sono un tipo di particella che può condividere lo stesso stato quantistico, il che significa che puoi metterne quanti ne vuoi in un volume compatto. Questo è simile ai fotoni (puoi mettere quanta luce vuoi in una scatola) e diverso dalle particelle come gli elettroni (puoi metterne solo un certo numero prima che la scatola sia piena). Queste due proprietà degli assioni significano che sono eccezionalmente bravi a collassare fino a densità incredibilmente elevate, attratti dalla loro stessa (leggera) gravità. Essenzialmente, possono formare una sorta di stella. È completamente invisibile, non emette luce e non interagisce con nulla, ma è comunque una stella. Queste stelle — che hanno una varietà di nomi, tra cui stelle di assioni, stelle di bosoni e stelle oscure — possono essere piccole, con una massa approssimativamente uguale a quella delle stelle normali e quotidiane. Possono anche essere enormi, estendendosi su un intero nucleo galattico. La possibile esistenza delle stelle di bosoni è una lama a doppio taglio. Da un lato, può rendere la rilevazione diretta estremamente difficile. A meno che una stella di bosoni non stia vagando attraverso il nostro sistema solare e passando attraverso la Terra, è improbabile che vedremo gli assioni nei nostri rilevatori. Dall’altro lato, le stelle di bosoni possono fare ogni sorta di cose che potrebbero renderle rilevabili, come interferire con la fusione nucleare nei nuclei stellari o esplodere da sole in un evento noto come bosenova. Non sappiamo se gli assioni esistono o, se esistono, se sono responsabili della materia oscura. Ma è comunque divertente immaginare un universo brulicante di stelle oscure silenziose, invisibili e innocue.
Cosa sono le stelle di bosoni — e cosa hanno a che fare con la materia oscura?
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