Rapporto della comunità brasiliana sulla materia oscura

State of the art in materia oscura riassunto attraverso l'attività svolta dalla comunità scientifica brasiliana, una delle più vivaci ed attive nel campo.

Questa recensione oltre a riassumere le attività della comunità scientifica brasiliana che studia la materia oscura – nata non molto tempo fa e cresciuta tremendamente negli anni passati giocando un ruolo importante nella caccia alla particella sconosciuta di materia oscura – ci dà anche un quadro completo “state of the art” della ricerca sulla materia oscura. I fiori all’occhiello del programma brasiliano di materia oscura sono il Cherenkov Telescope Array, DARKSIDE, Esperimenti SBN e LHC, ma anche esperimenti più piccoli come DAMIC e CONNIE che costituiscono sonde importanti anche per i settori oscuri e dovrebbero ricevere un’attenzione speciale.

Le prove della materia oscura (DM) derivano da tempi e scale di distanza differenti del nostro Universo. Le misurazioni precise dello spettro di potenza del fondo cosmico a microonde (CMB), curve di rotazione della galassia, ammassi di galassie, lenti gravitazionali, oscillazioni acustiche barioniche, nucleosintesi del big bang hanno plasmato la nostra comprensione dell’universo e rappresentano un’ armatura di prove per la materia oscura. Tuttavia, tutti questi dati, che sono gravitazionali, non ci informano molto sulla natura della materia oscura. Di conseguenza, la materia oscura potrebbe essere composta da particelle le cui masse si estendono su ordini di grandezza che variano da 10^–22 eV a 10^12 eV (1 PeV) (vedi figura). Nonostante la nostra ignoranza riguardo alla massa della particella di DM, abbiamo accumulato importanti informazioni su di essa, in modo tale che qualsiasi candidato di materia oscura dovrebbe soddisfare alcuni requisiti:

  • dovrebbe produrre la densità di reliquia corretta;
  • dovrebbe essere non relativistica a parità di radiazione della materia per formare strutture nell’Universo primordiale in accordo con le osservazioni;
  • dovrebbe essere effettivamente neutra, altrimenti formerebbe particelle cariche stabili non osservate;
  • e, ultimo ma non meno importante, dovrebbe essere cosmologicamente stabile con una vita molto più grande dell’età dell’universo per essere coerente con le osservazioni dei raggi cosmici e dei raggi gamma.

Avendo chiarito questi requisiti sorgono naturalmente tre classi di candidati:

WIMP – Le WIMP (particelle massive debolmente interagenti) compaiono in diverse configurazioni di costruzione di modelli popolari. Si basano sul paradigma del disaccoppiamento termico che è un input chiave negli osservabili come il fondo cosmico a microonde (CMB) e la nucleosintesi del Big Bang (BBN). Pertanto, una prima ipotesi è quella di supporre che anche le particelle di materia oscura appartengano ad una storia termica. In base a questi presupposti, si ottiene la densità di reliquia corretta per una sezione di annichilimento dell’ordine della scala elettrodebole. Detto questo, ipotizzando una storia termica standard nell’universo e che la densità complessiva della reliquia della materia oscura sia governata esclusivamente dalla sezione trasversale di annichilazione della materia oscura in particelle del Modello Standard, si conclude che la materia oscura è limitata per essere all’interno di un ristretto intervallo di massa come mostrato in Fig.1. Di solito i modelli WIMP che riproducono la corretta densità di reliquia producono anche segnali che sono alla portata di esperimenti attuali e futuri . Dato che le WIMP nascono naturalmente in diversi progetti di costruzione di modelli e hanno diritto a una ricca fenomenologia, continuano ad essere piuttosto allettanti nonostante i risultati nulli finora.

ASSIONI – Anche l’’assione è un candidato molto popolare per la materia oscura in quanto correlato a una peculiare soluzione del forte problema CP (Parità- Carica). Nel corso degli ultimi decenni, una pletora di risultati sperimentali ha fermamente stabilito che i processi tra particelle elementari governati dalle interazioni forti sono correttamente descritti da una teoria nota come Cromo Dinamica Quantistica(QCD). Sebbene finora non ci siano risultati sperimentali che contraddicano le previsioni della QCD, questa teoria, insieme a una profonda comprensione di molte questioni fondamentali, propone anche un enigma teorico. La QCD dipende da due parametri fondamentali adimensionali il cui valore non è previsto dalla teoria, ma deve essere determinato sperimentalmente. Il primo, αs, determina l’intensità delle interazioni ed il suo valore sperimentale si può considerare naturale per una quantità adimensionale (è dell’ordine dell’unità, sebbene il numero esatto dipenda dalla scala di energia fa a cui si misura αs). Il secondo, θ, rappresenta l’entità della violazione della simmetria di carica-parità (CP) nelle interazioni forti. La teoria impone soltanto che il valore di θ, un parametro angolare, debba essere compreso nell’intervallo [-π, π], ed anche in questo caso sarebbe naturale aspettarsi un valore all’incirca dell’ordine dell’unità.

Sorprendentemente, invece, si è trovato che il valore assoluto di θ deve essere inferiore a 10^10, così come si evince dagli stringenti limiti sperimentali sul momento di dipolo elettrico del neutrone, una quantità che viola la simmetria CP. Questo valore così piccolo viene considerato altamente innaturale per un parametro adimensionale, e sarebbe sicuramente più naturale se, per qualche motivo, risultasse θ = 0. Questo implicherebbe che la QCD è una teoria che conserva la simmetria CP, in accordo con le osservazioni.
Un elegante meccanismo per garantire θ = 0 è stato proposto nel 1977 da Roberto Peccei e Helen Quinn. Il meccanismo Peccei-Quinn (PQ) implica l’esistenza di una particella di spin zero e, in prima approssimazione, di massa nulla, comunemente nota come assione. Tuttavia, ci sono sottili correzioni al primo ordine, in conseguenza delle quali l’assione acquisisce una piccolissima massa ma , presumibilmente ancora più piccola di quella dei neutrini. Subito dopo che il meccanismo PQ fu proposto, ci si rese conto che lo stesso fenomeno dinamico che spinge θ verso zero, genera nel vuoto una popolazione di assioni con quantità di moto nulla, e questi assioni dovrebbero oggi pervadere l’intero universo osservabile. È notevole che per un certo intervallo di masse dell’assione, compatibile con le aspettative teoriche, questo `mare’ di assioni potrebbe costituire la materia oscura cosmologica.

Il fatto che gli assioni possano essere naturali candidati per la materia oscura aumenta l’interesse teorico verso il meccanismo PQ e giustifica i vari esperimenti di ricerca assioni in programma per il prossimo futuro. L’assione è il pseudo-Nambu-Goldstone bosone della U (1) PQ simmetria spezzata, con massa ma = 5,70 (7) meV (10^9 GeV /fa). Per alcuni modelli, gli assioni hanno sia la massa che gli accoppiamenti ai campi del modello standard e possono comprendere l’abbondanza di reliquie richiesta per essere un candidato di materia oscura leggera fredda . La massa della massa di materia oscura degli assioni dipende dallo scenario cosmologico ipotizzato per la rottura della simmetria U (1) PQ. È stato sostenuto che se l’interruzione si verifica prima o durante il periodo inflazionistico e non ripristinata in seguito, la gamma di massa della materia oscura dell’assione è 10^-12 eV ≤ mA ≤ 10^-2 eV; e se la rottura della simmetria finale si verifica dopo il periodo inflazionistico, c’è un limite inferiore mA ≥ 28 (2) µeV . Diversi studi teorici nella comunità brasiliana di fisica delle alte energie, astrofisica e cosmologia sono stati dedicati agli assioni e alle particelle simili agli assioni (ALP), che non sono correlati al problema forte del CP ma hanno alcune proprietà simili, che sono nell’ambito del esperimenti attuali e futuri.

Materia oscura non termica – La materia oscura non termica è un’ampia classe di candidati della materia oscura, che non è una particella simile agli assioni (ALP) ma è prodotta anche non termicamente. Se si entra nel mondo dei processi non termici, l’intervallo per le masse di materia oscura e la forza di interazione è piuttosto vasto, al contrario di ciò che accade nel paradigma WIMP. Tuttavia, è importante essere aperti perché i candidati non termici della materia oscura possono ancora soddisfare i requisiti di cui sopra e quindi costituire candidati validi. Un meccanismo di congelamento e un universo dominato dalla materia sono alcuni dei ‘viali’ che potrebbero essere esplorati. In figura, viene delineata la gamma di massa prevista per i candidati della materia oscura che sono incorporati in questa classificazione di materia oscura non termica.

Svelare la natura della materia oscura è oggi una delle domande più aperte nella scienza fondamentale. Questo compito richiede lo sforzo di più comunità che attraversano la fisica nucleare, la materia condensata, l’astrofisica, la fisica delle particelle e la cosmologia, coinvolgendo sia gli sperimentatori che i teorici. Negli ultimi decenni, gli sforzi si son concentrati sulle particelle di materia oscura che hanno sperimentato una storia termica che ha massa nella gamma GeV-TeV con interazioni elettrodebole con le particelle del modello standard. Questi presupposti erano importanti per guidare gli sforzi sperimentali, ma con risultati nulli finora motivano la comunità scientifica a percorrere altri scenari. Sono emersi nuovi candidati per la materia oscura con masse molto al di sotto della scala GeV e di conseguenza più grandi della scala TeV. I candidati alla materia oscura rimangono ben motivati ​​continuando a sondarli utilizzando i dati degli esperimenti in corso e futuri. E’ necessario esplorare nuove strade che richiedono rivelatori a bassa soglia di energia e forse nuove tecniche per aderire all’agenda della comunità internazionale, tramite rivelamento diretto e indiretto.

Il rilevamento diretto si riferisce all’osservazione di rinculi nucleari in esperimenti a bassa energia situati in laboratori sotterranei. Misurando il rinculo di energia e la forma del tasso di dispersione degli eventi si può ricostruire la sezione di dispersione del nucleo-materia oscura (o elettrone-materia oscura) così come la massa della materia oscura. Di seguito si vogliono sottolineare due, fra i tanti, esperimenti fiore all’occhiello della comunità scientifica brasiliana:

DAMIC
L’esperimento DAMIC (Dark Matter in Charged Coupled Device) che utilizza il silicio ha una soglia di energia molto bassa, ed è adatto per ricerche di materia oscura leggera. I CCD utilizzati in DAMIC provengono da un progetto esistente per Dark Telecamera Energy Survey (DES). Esplorando la risoluzione di carica del dispositivo DAMIC è in grado di rivelare eventi a bassa energia prodotti dalla materia oscura . Il segnale di ionizzazione prodotto nella dispersione di elettroni di materia oscura può essere correttamente
in relazione alla sezione e alla massa di diffusione della materia oscura. In questo modo, DAMIC è stato in grado di migliorare in precedenza limiti sui modelli di materia oscura di fotoni nascosti
CONNIE
L’esperimento CONNIE è un rivelatore CCD (Charged Coupled Device) situato a 30 m dal centro di un reattore nucleare commerciale e ha una soglia di energia di 1 keV. Pertanto, CONNIE può testare settori bui. Infatti, CONNIE ha ottenuto un vincolo leader mondiale su un mediatore vettoriale con massa mz’ <10 MeV.

Il rivelamento indiretto della materia oscura si riferisce all’osservazione di flussi di particelle stabili come elettroni, protoni, neutrini e raggi gamma prodotti dall’annichilimento o decadimento della materia oscura in ambienti astrofisici densi come le galassie nane sferoidali e il centro galattico. Prendendo ad esempio il flusso di raggi gamma prodotti dall’annichilimento della materia oscura, è noto che questo flusso è proporzionale alla sezione trasversale di annichilazione della materia oscura, allo spettro di energia (fotoni prodotti per annichilimento) e alla densità della materia oscura lungo la linea di vista e inversamente proporzionale alla massa della materia oscura. Pertanto, se in qualche modo conosciamo lo spettro di energia e la densità della materia oscura teorica, possiamo correlare il flusso osservato alla sezione e alla massa di annichilazione della materia oscura. Ci sono due strutture con coinvolgimento brasiliano che si dedicano al sondaggio di tali interazioni di materia oscura, vale a dire CTA e AMS-02. Esiste anche un telescopio proiettato con l’obiettivo di misurare le oscillazioni acustiche barioniche (BAO) che può fornire informazioni complementari sui settori oscuri.

Nel Large Hadron Collider (LHC) si scontrano protoni ad altissima energia per sondare le interazioni fondamentali in Natura. Ha scoperto il bosone di Higgs come previsto dal Modello standard nel 2012. Molte particelle potrebbero essere prodotte durante queste collisioni, inclusa la materia oscura. Le particelle di materia oscura interagiscono debolmente con la materia e, per questo motivo, non lasciano traccia sui rivelatori. Pertanto, si può usare la conservazione dell’energia-quantità di moto per inferire la presenza di materia oscura nello stato finale delle collisioni protone-protone. In altre parole, rappresentano l’energia mancante. In generale, le ricerche di energia mancanti sono ricerche di materia oscura. È importante evidenziare che LHC non può affermare che l’energia mancante osservata è attribuita alle particelle di materia oscura poiché qualsiasi particella neutra di lunga durata imiterebbe lo stesso segnale. Ad ogni modo, i collisori costituiscono importanti sonde per la materia oscura in quanto non sono soggetti a grandi incertezze astrofisiche e nucleari come ricerche di rivelazione diretta e indiretta e danno origine a importanti limiti sullo spazio dei parametri di numerosi modelli di materia oscura.

EFFETTI TEORICI
La comunità brasiliana è coinvolta nella fisica della materia oscura sia dal punto di vista sperimentale che teorico. Nonostante la ricchezza di prove sull’esistenza della materia oscura, non conosciamo la sua natura particellare e molte delle sue proprietà astrofisiche. Ci sono aspetti astrofisici della materia oscura che sono aperti al dibattito, in particolare su piccole scale astrofisiche. Tra questi, il più persistente è il problema della diversità (che è una generalizzazione del famoso problema cuspide-nucleo). Un altro, noto da molto tempo, è il problema della regolarità, come dedotto dalla relazione tra discrepanza di massa e accelerazione (chiamata anche relazione di accelerazione radiale). Le cause sottostanti di tali problemi devono essere affrontate. La sua comprensione potrebbe promuovere lo sviluppo verso la stessa materia oscura (ad es. profili dell’alone, che sia caldo, auto-interagente, ultraleggero) o per la comprensione dei processi astrofisici barionici (ad es. evoluzione della popolazione stellare, nucleo galattico attivo). In effetti, la comunità brasiliana ha il know-how per modellare e dedurre le conseguenze della materia oscura da grandi campioni di galassie e più recentemente usando l’inferenza bayesiana. Questi lavori sono rilevanti per le discrepanze osservate su piccola scala, che coprono il problema della diversità / nucleo cuspide (profili dell’alone) e la possibile natura fondamentale della relazione di accelerazione radiale.

Su scale più grandi, vengono presi in considerazione diversi metodi per prevedere il raggruppamento della materia oscura a livello non lineare in presenza di energia oscura dinamica. A livello perturbativo lineare, le ipotesi considerate includono la materia oscura come componente dissipativa a causa di un coefficiente di viscosità, con una dispersione di velocità sull’evoluzione delle sue perturbazioni o con calore rappresentato da un ridotto gas relativistico. Considerando il profilo della materia oscura, anche l’importanza dell’asfericità dell’alone è stata sottolineata. Si esplorano anche incertezze sulla densità complessiva della materia oscura nei modelli oltre il MCDM. È stato notato che si potrebbero effettivamente avere deviazioni dall’abbondanza di materia oscura fredda inferita dalla sonda Planck nei modelli in cui la materia oscura e l’energia oscura sono accoppiate. Dal lato della fisica delle particelle, sono stati proposti diversi nuovi plausibili modelli di materia oscura che vanno dai WIMP, assioni, alla materia oscura non termica, dove quest’ultima ha una connessione interessante con i dati IceCube.

L’astronomia del neutrino nella ricerca indiretta della materia oscura è un canale promettente. Questo canale può essere utilizzato sia nella ricerca di neutrini da oggetti compatti, come il Sole, sia nel possibile contributo al flusso diffuso di neutrini ad alta energia osservato da IceCube. Un modello popolare nel contesto della materia oscura non termica è il cosiddetto fotone oscuro che è soggetto a intense ricerche su acceleratori e collettori a bassa energia. In alternativa, le osservazioni astrofisiche sono diventate uno strumento ben noto per ottenere vincoli empirici su fotoni oscuri. In generale, qualsiasi particella leggera può svolgere un ruolo importante nella perdita di energia stellare. Una tale particella rimuoverebbe energia dal bagno termale stellare. Se la materia stellare ha un contenuto sufficiente di materia oscura, un processo importante da considerare è l’emissione di bosoni oscuri (assioni, fotoni oscuri ecc.) dagli stati termici. Quindi c’è una ricca fenomenologia da esplorare in questo contesto. Considerando gli aspetti sperimentali e teorici sollevati in questo rapporto, è chiaro che la materia oscura è sotto assedio da parte della comunità brasiliana.

“Brazilian Community Report on Dark Matter” [E.Abdalla et al. 2019] “https://inspirehep.net/record/1772268