Il lato oscuro del nostro UniversoIl lato oscuro del nostro Universo

Fiorenza Donato

Dip. Fisica Teorica &Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Torino

““Le Donne nella ScienzaLe Donne nella Scienza”” -- Napoli, 10 marzo 2008Napoli, 10 marzo 2008

In questo seminario:

• Quanta massa continene l’Universo?

• Come misuriamo la massa dell’Universo?

• Massa Mancante=Materia Oscura: da che cosa è composta?

• Come possiamo rivelare sul nostro pianeta la Materia Oscura?

• Correlazione fra Cosmologia/Astronomia/Astrofisica/Fisica delle Particelle Elemetari

VEDERE = rivelare una radiazione elettromagnetica a una qualunque frequenza

In molti oggetti astrofisici, i movimenti osservati non corrispondono a quelli

attesi sulla base della loro azione gravitazionalegravitazionale che vediamo:

è come se una densità di materia invisibile li permeasse

Galassia a spirale (M81) vista di fronte

Galassia a spirale (NGC4565) vista di taglio

Le curve di rotazione delle galassie

Le stelle nelle galassie ruotano attorno al centro galattico: la forza centripeta controbilancia l’attrazione gravitazionale, impedendo il collasso.

La velocità v in funzione della distanza r dal centro della galassia ci informa sulla distribuzione della massa della galassia.

N. B. 1 kpc ≈ 3•1016 km

G

rvM

2

=

G

rvM

2

=

Curva di rotazione della nostra Galassia

Se la massa della galassia e’ quelladi un disco stellare (e gas) e il motodelle stelle e’ kepleriano, la velocita’di rotazione dovrebbe diminuire a grandi raggi

La piattezza delle Curve di Rotazione ...

Corbelli & Salucci, 2000

Materia oscura

disco

gas

Vera Rubin

Le curve di rotazionerestano piatte al crescere di r

.... ovvero, nelle gallasie esiste un Materia Oscura

La piattezza delle curve di rotazione a grandi raggi è osservata per migliaia di galassia: la materia visibile a quelle distanze tende a zero e non giustifica

le velocità elevate misurate.Nelle regioni esterne osserviamo: M∝r

E’ la dimostrazione più schicciante dell’esistenza della

MATERIA OSCURA:

su scala galattica: verso l’esterno della galassia sembra esistere una Massa che “tiene su” la velocità di rotazione delle stelle esterne

Esiste una teoria di Modified Newtonian Dynamics (MOND- M. Milgrom 1983), ma è un’ ipotesi ritenuta

meno solida sia dal punto di vista teorico che osservativo.

Credit: Jose Wudka

TUTTO NERO

Il disco luminoso delle galassie è circondato da un alone oscuro, forse sferico, che contribuisce al 90% (sì, 90%!!) della massa della galassia

Zwicky, 1933

Studiò il moto delle galassie nell’ammasso della Coma:

Mdyn/Mlum~100

Problema: massa mancante??

LENTE GRAVITAZIONALE

Con un buco nero delladimensione di Saturno

HSTHSTEdwin Hubble

Evidenza diretta di MO: il bullet cluster Clowe et al. 2006

Collisione di due ammassi di galassie (a circa 4500 km/sec):- le galassie (nel visibile) non collisionali - gas (in X-rays) si comporta come un fluido -lente gravitazionale debole: mappa del potenziale gravitazionale

Il potenziale gravitazionale segue la distribuzione delle galassie (1-2%) ed è sfasato rispetto al gas (5-15%).

Le galassie dei due ammassi devono avere aloni di materia oscura

CMB, LSS, SnIa

Le teorie di formazione delle strutture nell’Universo (galassie e ammassi di galassie), la radiazione di fondo a microonde (CMB), le supernovae

lontane, sono consistenti con le osservazioni solo se si ipotizza che l’Universo

contenga una grande quantità di materia non-ordinariaCMB power spectrum – Nolta et al.2008

Satellite WMAP

Nasa credit

Dunque a qualunque scala:

GalatticaAmmassi di galassie

Cosmologica

con molte e diverse tecniche osservative, l’evidenza gravitazionale di materia oscura è

fortissima e inequivocabile

N.B. Quello che viene misurata non è la massa assoluta, ma il parametro Ω, che è un rapporto di densità.

Ora sappiamo che l’Universo ha Ω~1

COMPLETAMENTE UN MISTERO!

La Torta dell’Universo

QUASI COMPLETAMENTECOMPRESO

Il mondo che vediamo, così poco ....

QUASI COMPLETAMENTE UN MISTERO

Attenzione: in arrivoVicende oscure, particelle esotiche,

rivelazioni nello spazio, esperienze sotterranee....

NASA/WMAP Science Team

Di che cosa e’ fatta la Materia Oscura?Materia Oscura barionica:

• pianeti, lune, detriti, asteroidi, nane brune, nubi molecolari, polvere ...⇒ contributo trascurabile (BBN – talk di Ofelia)

• MACHOs (Massive Compact Halo Objects): relitti stellari, buchi neri, oggetti massivi non luminosi ...

⇒ contributo trascurabile (esperimenti di microlensing)

Materia Oscura NON-barionica:

• neutrini (hanno una massa, piccolissima)⇒ contributo trascurabile (impedirebbero la formazione delle strutture)

• WIMP (Weakly Interacting Massive Particle)⇒ perfette. Ma esistono?

• .... Assioni, Q-balls, monopoli magnetici ... Modellistica pressoché infinita!

Il Modello Standard delle Particelle Elementari e delle Forze Fondamentali

Quasi perfetto ... ma lascia molte questioni aperte Tra le molte, non contiene la soluzione alla MO

Nuove teorie: la Supersimmetria

Risolverebbe molti punti aperti del MS e, GRATIS, ci fornirebbe un bellissimo candidato alla materia oscura: il neutralino

- neutro- con sola interazione debole (e gravitazionale)- massivo (10-1000 volte il protone)- stabile su tempi cosmologici- da solo potrebbe anche spiegare tutta la MO

È una teoria che prevede una simmetria tra le particelle note e i loro partner supersimmetrici basata su proprietàinterne (spin)

Nessuna particella della supersimmetriaè ancora stata osservata

Ricerche di SupersimmetriaSi effettuano ai grandi acceleratori

LHC (Large Hadron Collider) @CERN: dal 2008

FERMILAB

Anche se trovassimo agli acceleratori (LHC) una

nuova particella adatta alla MO,

dobbiamo provarne l’esistenza astronomica

Rivelazione Diretta di WIMP

Esperimenti in Laboratori Sotterranei (e.g. Gran Sasso-INFN)

Una WIMP può urtare un nucleo del rivelatore. L’energia di rinculo è la grandezzamisurata con varie tecniche.

Marcatura: la modulazione annualeDecember

June

A causa del moto di rivoluzione della Terra attorno al Sole, che a sua volta ruota nella Galassia, il flusso delle WIMP che attraversano la Terra varia durante l’anno. Il flusso è massimo in Giugno, quando le velocità del Sole e della Terra nel sistema di riferimento della Galassia si sommano, ed è minimo in Dicembre.

DAMA/NaI: effetto di modulazione misurato(Bernabei et al. 2003)

Altri esperimenti, con varie tecniche e nuclei (non sensibili alla modulazione annuale): CDMS, XENON10, CRESST, Edelweiss, Rosebud, Zeplin, ....

Rivelazione diretta di MO: il lavoro del fisico teorico

DAMA allowed region(for a number of gal. Halo models)Bernabei et al. Riv. N. Cim. 2003

CDMS (Akerib et al. 2001)exclusion plotsfor some isothermal models

In collaborazione con A. Bottino, N. Fornengo, S. Scopel

Rivelazione indiretta di Materia Oscura

χ χ

γ,e+ dp,

Ricerchiamo una componente “esotica” – rispetto al contributostandard (puramente astrofisico) - nel flussi misurati di:

1. Raggi gamma 2. Positroni3. Antiprotoni Astrofisica dei raggi cosmici4. Antideuterio5. Neutrini

Ricerche di Antimateria e Raggi Gamma

Pamela – 06/2006

Agile, 04/2007

Glast -2008

Pbess - 2010

GAPS - 2013

Bess - 2007

AMS – 2009

ASTROFISICA DEI RAGGI COSMICI GALATTICIMODELLO DI DIFFUSIONE a 2 zone

Maurin, FD, Taillet, Salati ApJ 2000; Maurin, Taillet, FD A&A 2002

I modelli riprooducono bene i dati di:Boro/Carbonio, O, antiprotoni, Isotopi radioattivi ....

FISICA ESOTICA (DA MATERIA OSCURA!!)NEI RAGGI COSMICI GALATTICI

ANTIDEUTERIO STANDARD (linea continua)E DA ANNICHILAZIONE DI NEUTRALINI

(alcuni casi posisbili)

Questo studio ha costituito la motivazione fondamentale per la proposta dell’esperimentoGAPS (Usa+) alla NASA.•Prototipo già testato al KEK (Tokyo)•Proposal alla NASA per un pallone ULDB in Antartico

FD, N. Fornengo, P. Salati

L’identificazione e la scoperta della natura della materia oscura, insieme all’energia oscura, è forse la problematica più rilevante per la

comprensione del nostro universo

La ricerca, specie quella sperimentale (astronomica, astrofisica e cosmologica), ha ottenuto risultati di potenza e precisione stupefacenti

Il nostro lavoro è l’incontro (matematico & fisico) dell’infinitamente grande con l’infinitamente piccolo

Il prossimo futuro si preannuncia ricco di scoperte

Divertimento assicurato per i Fisici Teorici!!

“La filosofia è scritta in quel grandissimo libro che continuamente ci sta aperto innanzi agli occhi

(io dico l’universo)”