Il lato oscuro del nostro Universo

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1 Il lato oscuro del nostro Universo Fiorenza Donato Dip. Fisica Teorica &Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Torino Le Donne nella Scienza - Napoli, 10 marzo 2008

2 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

3 VEDERE = rivelare una radiazione elettromagnetica a una qualunque frequenza

4 In molti oggetti astrofisici, i movimenti osservati non corrispondono a quelli attesi sulla base della loro azione gravitazionale 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

5 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. Curva di rotazione della nostra Galassia M = 2 rv M = G rv G 2 Se la massa della galassia e quella di un disco stellare (e gas) e il moto delle stelle e kepleriano, la velocita di rotazione dovrebbe diminuire a grandi raggi N. B. 1 kpc km

6 La piattezza delle Curve di Rotazione... Vera Rubin Corbelli & Salucci, 2000 disco Materia oscura Le curve di rotazione restano piatte al crescere di r gas

7 ... 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.

8 TUTTO NERO Credit: Jose Wudka Il disco luminoso delle galassie è circondato da un alone oscuro, forse sferico, che contribuisce al 90% (sì, 90%!!) della massa della galassia

9 Zwicky, 1933 Studiò il moto delle galassie nell ammasso della Coma: M dyn /M lum ~100 Problema: massa mancante??

10 LENTE GRAVITAZIONALE Con un buco nero della dimensione di Saturno HST Edwin Hubble

11 Evidenza diretta di MO: il bullet cluster Clowe et al 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

12 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-ordinaria CMB power spectrum Nolta et al.2008 Satellite WMAP Nasa credit

13 Dunque a qualunque scala: Galattica Ammassi 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

14 La Torta dell Universo COMPLETAMENTE UN MISTERO! QUASI COMPLETAMENTE UN MISTERO Attenzione: in arrivo Vicende oscure, particelle esotiche, rivelazioni nello spazio, esperienze sotterranee... NASA/WMAP Science Team QUASI COMPLETAMENTE COMPRESO Il mondo che vediamo, così poco...

15 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!

16 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

17 Nuove teorie: la Supersimmetria È una teoria che prevede una simmetria tra le particelle note e i loro partner supersimmetrici basata su proprietà interne (spin) Nessuna particella della supersimmetria è ancora stata osservata 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 ( volte il protone) - stabile su tempi cosmologici - da solo potrebbe anche spiegare tutta la MO

18 Ricerche di Supersimmetria Si effettuano ai grandi acceleratori LHC (Large Hadron dal 2008 FERMILAB

19 Anche se trovassimo agli acceleratori (LHC) una nuova particella adatta alla MO, dobbiamo provarne l esistenza astronomica

20 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 grandezza misurata con varie tecniche.

21 Marcatura: la modulazione annuale December 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,...

22 Rivelazione diretta di MO: il lavoro del fisico teorico In collaborazione con A. Bottino, N. Fornengo, S. Scopel DAMA allowed region (for a number of gal. Halo models) Bernabei et al. Riv. N. Cim CDMS (Akerib et al. 2001) exclusion plots for some isothermal models

23 Rivelazione indiretta di Materia Oscura χ γ,e + p, d χ Ricerchiamo una componente esotica rispetto al contributo standard (puramente astrofisico) - nel flussi misurati di: 1. Raggi gamma 2. Positroni 3. Antiprotoni Astrofisica dei raggi cosmici 4. Antideuterio 5. Neutrini

24 Ricerche di Antimateria e Raggi Gamma Pbess Pamela 06/2006 Glast Bess GAPS AMS 2009 Agile, 04/2007

25 ASTROFISICA DEI RAGGI COSMICI GALATTICI MODELLO 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...

26 FISICA ESOTICA (DA MATERIA OSCURA!!) NEI RAGGI COSMICI GALATTICI Questo studio ha costituito la motivazione fondamentale per la proposta dell esperimento GAPS (Usa+) alla NASA. Prototipo già testato al KEK (Tokyo) Proposal alla NASA per un pallone ULDB in Antartico FD, N. Fornengo, P. Salati ANTIDEUTERIO STANDARD (linea continua) E DA ANNICHILAZIONE DI NEUTRALINI (alcuni casi posisbili)

27 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!!

28 La filosofia è scritta in quel grandissimo libro che continuamente ci sta aperto innanzi agli occhi (io dico l universo)