Elisabetta Baracchini e la materia oscura

Negli ultimi anni, quando i media si interessano alla scienza e in particolare alla fisica, i nomi che più di frequente si leggono sono: materia oscura, onde gravitazionali, bosoni e neutrini. In questo articolo, in cui scriverò delle ricerche condotte dalla prof.ssa Elisabetta Baracchini, cercheremo di capire qualcosa in più sulla materia oscura.

Facciamo un passo indietro: cos’è la fisica?

Semplificando la definizione, si può dire che la fisica sia lo studio di tutte “le cose naturali”; allora poiché la felicità è un fenomeno naturale, dovremmo aspettarci che la fisica studi anche la felicità? La definizione è ovviamente incompleta!

La fisica studia i fenomeni naturali misurabili. La felicità invece è «il sovvertimento degli stereotipi e delle leggi della fisica e quindi non è misurabile attraverso grandezze oggettive» (Elisabetta Baracchini).

I fenomeni naturali misurabili sono tantissimi e seguono leggi differenti in base alla velocità con cui si propagano e alla massa che possiedono: i fenomeni con velocità prossime a quella della luce e masse molto piccole rientrano nella fisica delle particelle, quelli con velocità vicine a quella della luce e masse superiori a quelle delle particelle rientrano nella teoria della relatività, le due teorie convergono nella fisica classica quando velocità e masse sono quelle dei fenomeni osservabili ad occhio nudo nella realtà di ogni giorno. 

Elisabetta Baracchini, assistant professor presso il Gran Sasso Science Institute e ricercatrice nei laboratori dell’INFN, si occupa di materia oscura. Ho avuto il piacere di ascoltare una sua intervista nell’incontro “Fisica al femminile” presentato da Serena Dandini. Elisabetta indossava un vestitino blu che le scopriva le ginocchia e un paio di stivali rossi. La prima cosa che tiene a precisare è che il suo ruolo così prestigioso non si contrappone alla sua femminilità e afferma: «Non c’è motivo di sminuire la nostra femminilità per essere prese sul serio».

Si occupa di materia oscura già da diversi anni: nel 2015 ha vinto una Marie Curie individual fellowship, prestigioso fondo di ricerca europeo che promuove la formazione e la carriera di giovani ricercatori e ricercatrici (titolari di dottorato di ricerca o con quattro anni di esperienza nel campo della ricerca scientifica). Grazie a questa borsa di studio, ha formato un gruppo di lavoro che si consoliderà grazie al prestigioso finanziamento europeo ERC Consolidator grant, di circa due milioni di euro, vinto nel novembre 2018, e che studierà nuove tecniche per la ricerca della materia oscura.

Ma che cos’è la materia oscura?

Elisabetta Baracchini -scherzando- sostiene che, prendendo spunto dalla famosa serie Stranger things, questa costituisca il mondo di sopra e non quello di sotto. Fino alla prima metà del 1900 si credeva che la quasi totalità della massa dell’Universo risiedesse nelle stelle; oggi invece sappiamo che queste costituiscono soltanto una percentuale irrisoria della materia cosmica. La restante parte della massa dell’Universo, circa l’86%, non è visibile perché non interagisce con la luce e a tale massa mancante si dà il nome di “materia oscura”. 

Ma se non interagisce con la luce e quindi non è visibile, che prove abbiamo della sua esistenza?

Secondo la legge di gravitazione universale due masse si attraggono con una forza che diminuisce al crescere della distanza (al quadrato). Semplificando: immaginate di posizionare una pallina su un telo, quest’ultimo viene deformato e se aggiungiamo su di esso una seconda pallina, queste due si attrarranno a causa della deformazione e quindi della forma del telo. Più lontano le posizioniamo e meno queste si attrarranno.

In fisica, la presenza di una forza determina un’accelerazione. Quindi ci si aspetta, esaminando le galassie, che la velocità delle stelle che si trovano nella regione esterna al nucleo (della galassia) diminuisca all’aumentare della distanza da questo. Il nucleo della galassia corrisponde alla prima pallina dell’esempio precedente e le stelle della regione esterna alla seconda. Al contrario, le osservazioni effettuate su centinaia di galassie hanno dimostrato che la velocità delle stelle anche lontane dal nucleo è molto maggiore di quella attesa e inoltre non diminuisce con la distanza. Questo fenomeno può essere spiegato solo se si assume che la galassia contenga della materia invisibile e non concentrata nel suo nucleo, la cui attrazione gravitazionale è responsabile del moto delle stelle.

Una seconda prova a favore dell’esistenza della materia oscura è stata trovata studiando il moto delle singole galassie: queste infatti si muovono troppo velocemente perché l’ammasso possa mantenersi compatto. Con le velocità osservate, l’ammasso avrebbe dovuto “evaporare”: le galassie non sarebbero state viste raggruppate, ma in fuga l’una dall’altra.

Anche in questo caso la soluzione sta nel supporre che esista della materia aggiuntiva, non visibile, che però eserciti un’azione gravitazionale sull’intero sistema.

Secondo la studiosa l’esistenza della materia oscura è una seconda rivoluzione copernicana, se questa infatti aveva spostato l’uomo dal centro dell’universo, la materia oscura toglie la realtà che conosciamo dal centro del mondo, visto che la maggior parte di ciò che esiste è diverso da ciò di cui abbiamo esperienza.

Un’ultima domanda: dove si cerca questa materia oscura?

Per rilevare la presenza di materia oscura, non essendo questa visibile, è necessario che interagisca con uno strumento di misura attraverso un segnale. Questo tuttavia potrebbe essere molto simile ad un segnale derivante dall’interazione di altre particelle, è necessario quindi posizionare gli strumenti di misura in un luogo che schermi il rilevatore dalle particelle ordinarie, per esempio miniere o montagne. 

La materia oscura è un campo in cui c’è ancora molto da studiare, le domande sono tantissime: da cosa è composta, a cosa potrebbe servire, come è correlata all’energia oscura? Purtroppo le risposte non saranno nel prossimo numero!

Articolo di Sara Rutigliano

VA_rZQCELaureata in matematica, insegna matematica e fisica in un Liceo di Roma.  Da sempre accompagna alla sua passione verso la matematica un grande interesse verso ciò che non è scientifico.  Si occupa di didattica della matematica attraverso l’associazionismo e la collaborazione con Università ed enti di ricerca. È convinta che la matematica sia una disciplina accessibile a tutti/tutte.

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