La materia oscura all'Università di Bologna

Ricerche di materia oscura all'Università di Bologna sono eseguite presso i Dipartimenti di Astronomia e di Fisica. Queste attività sono svolte in cooperazione con l'Osservatorio Astronomico di Bologna, Enti di Ricerca Nazionali quali ASI (Agenzia Spaziale Italiana), CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche) e INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) ed Enti di Ricerca Internazionali.

Una delle prove più importanti della presenza di materia oscura nelle galassie a spirale ci viene dalle curve che descrivono la velocità di rotazione di materiale galattico in funzione della distanza dal centro della galassia stessa (vedi moto delle stelle in una galassia). Le curve vengono ottenute da osservazioni di righe spettrali emesse da gas ionizzati (riga Halpha), da gas d'idrogeno neutro (riga a 21 cm) e da gas molecolare (CO), misurando lo spostamento della frequenza della riga (dovuto all'effetto Doppler). Mentre il gas ionizzato ed il gas molecolare si trovano nelle parti centrali e più luminose delle galassie, l'idrogeno neutro si estende ben oltre il disco luminoso. Ciò permette di tracciare le curve di rotazione a grandi distanze dal centro delle galassie.

• Curve di rotazione delle galassie a spirale:
ricercatori dell'Osservatorio Astronomico di Bologna insieme con collaboratori del Kapteyn Astronomical Institute dell'Università di Groningen (Paesi Bassi) stanno portando avanti da circa trent'anni programmi di ricerca sulla materia oscura nelle galassie. Tali programmi si basano principalmente su osservazioni della riga a 21 cm dell'idrogeno neutro coi radiotelescopi di Westerbork (Paesi Bassi) e VLA (USA) di galassie a spirale di vari tipi morfologici e di varie luminosità. Fra gli studi più recenti, la curva di rotazione della galassia a spirale NGC 5055 è in accordo con la presenza di un esteso alone di materia oscura.

La ricerca di materia oscura di tipo particelle elementari può essere diretta o indiretta. I metodi sperimentali diretti si basano sulla possibile interazione di particelle di materia oscura dentro un rivelatore o che attraversano il rivelatore. Negli studi indiretti si cerca di rivelare per es. neutrini generati nei decadimenti degli adroni prodotti in annichilazioni particella-antiparticella (di materia oscura) che possono avvenire al centro della Terra, nel Sole o nel centro della Galassia.
Inoltre in esperimenti con acceleratori di altissima energia vengono cercate nuove particelle elementari che potrebbero essere candidate a costituire parte della materia oscura particellare.

Al Dipartimento di Fisica, si effettuano ricerche di materia oscura con esperimenti in laboratori senza acceleratori (MACRO, SLIM,  ANTARES e AMS), e in esperimenti con acceleratori (LEP, LHC, Tevatron).

	Fig. 1: Foto del rivelatore MACRO. (Credit: MACRO experiment)

• MACRO (1989 - 2000):
era un rivelatore di grandi dimensioni  situato nei Laboratori sotterranei del Gran Sasso. Uno degli obiettivi dell'esperimento era quello di cercare eventi rari nella radiazione cosmica penetrante. MACRO ha cercato, in modo diretto monopoli magnetici e nucleariti e in modo indiretto neutralini.
I nucleariti dovrebbero essere oggetti come i nuclei atomici, ma contenenti quarks di tipo s, oltre che di tipo u e d come nella materia ordinaria. Tali quarks sarebbero liberi di muoversi entro un nuclearite restandovi "confinati". I nuclei della materia ordinaria invece, sono formati da quark di tipo u e d che possono muoversi solo all'interno di un protone o di un neutrone.
I neutralini sarebbero particelle elementari supersimmetriche neutre: potrebbero essere una delle componenti principali della materia oscura. I neutralini potrebbero collidere con i nuclei atomici di un corpo celeste, come la terra o il sole, e potrebbero rimanere intrappolati al loro centro tramite la forza gravitazionale. Un neutralino e un antineutralino potrebbero annichilare dando luogo a pioni e quindi a neutrini muonici. MACRO ha cercato un flusso di neutrini muonici provenienti dal centro della terra e del sole ponendo limiti importanti.

Fig. 2: Il Laboratorio di Fisica Cosmica di Chacaltaya, La Paz, Bolivia, dove è installato l'esperimento SLIM. (Credit: SLIM experiment)

SLIM (2001 - ....): è un esperimento costituito da 400 m2 di rivelatori nucleari a tracce (CR39 e lexan), situato al Laboratorio di Fisica Cosmica di Chacaltaya, La Paz, Bolivia, a 5230 m sul livello del mare. L'esperimento ha come scopi principali la ricerca diretta di monopoli magnetici e di nucleariti di massa intermedia. I primi risultati sono attesi per la fine del 2004.

AMS (2005 - ....): AMS (Alpha Magnetic Spectromer) è un rivelatore di raggi cosmici che sarà situato a partire dal 2005 nella Stazione Spaziale Internazionale (ISS) orbitante intorno alla Terra. L'apparato sarà, tra l'altro, costituito da rivelatori a silicio per il tracciamento di particelle, un sistema di misura del tempo di volo ed un magnete superconduttore capace di deflettere le particelle entranti in opposte direzioni a seconda del segno della loro carica. L'esperimento si propone di ricercare antimateria in modo diretto e materia oscura in modo indiretto.

Fig. 4: La Stazione Spaziale Internazionale (ISS) dove sarà installato il rivelatore AMS. (Credit: AMS experiment)

Le particelle supersimmetriche che potrebbero costituire parte della materia oscura dell'Universo possono essere cercate con i seguenti esperimenti agli acceleratori.

• DELPHI, L3 e OPAL (1989 - 2000):
Tali rivelatori che operavano al collisionatore LEP del CERN hanno cercato neutralini in reazioni del tipo   e⁺ +  e¯ --> neutralino + ....   . Non avendo trovato eventi di questo ed altri tipi, hanno posto limiti inferiori sulla massa e sulle sezioni d'urto di produzione di neutralini e di altre particelle.

• CDF (1989 - ....):
CDF è un rivelatore al collisionatore Tevatron al Fermilab di Chicago. Il Tevatron accelera protoni ed antiprotoni fino ad 1 TeV per poi farli collidere al centro del rivelatore CDF.  Sono state cercate particelle supersimmetriche e altre particelle prodotte in collisioni protone-antiprotone; non ne sono state finora trovate e la ricerca continua con il Tevatron a energie ed intensità più elevate e con il rivelatore CDF migliorato.

• ZEUS (1998 - ....):
Anche in questo rivelatore operante al laboratorio DESY di Amburgo, si ricercano molti tipi di nuove particelle prodotte in collisioni positrone-protone ad alte energie. Sono state migliorate le prestazioni del collisionatore e del rivelatore ZEUS.

• CMS e ALICE (2007 - ....):
I futuri esperimenti CMS e ALICE al futuro grande collisionatore LHC ricercheranno particelle supersimmetriche e molte altre possibili particelle.

Un gruppo teorico, in collaborazione con un gruppo del CNR di Bologna coinvolto nell'esperimento PLANCK studia le implicazioni della materia oscura e dell'energia oscura nell'ambito dei risultati di esperimenti sulla radiazione cosmica di fondo a microonde e le sue anisotropie. Gli esperimenti hanno fornito immagini dettagliate dell'Universo quando aveva una temperatura di circa 3000 gradi. La precisione e risoluzione sempre migliori con cui queste anisotropie vengono rivelate danno accesso ad informazioni primordiali sulle componenti oscure dell'Universo.