Un nuovo studio ha messo in discussione le convinzioni precedenti su uno dei principali candidati alla materia oscura: i fotoni oscuri.
A più di cinquant’anni dalla sua formulazione, la ricerca della materia oscura continua, sia attraverso osservazioni cosmiche che attraverso studi teorici. Si ipotizza che questa misteriosa materia invisibile costituisca l’85% della massa dell’Universo. Sebbene la sua esistenza non sia ancora stata confermata, numerose prove indirette ne supportano la teoria, dalle curve di rotazione delle galassie e degli aloni di materia oscura alle lenti gravitazionali. Inoltre, sono state proposte diverse particelle candidate, la cui natura è stata poi verificata confrontandole con i dati osservativi. Tra queste figurano le WIMP (particelle massicce a interazione debole), i buchi neri primordiali (PBH), gli assioni e i “fotoni oscuri”. In teoria, questa particella sarebbe responsabile del riscaldamento dell’Universo primordiale e fungerebbe da ponte tra il settore “visibile” e quello oscuro del cosmo. Secondo un nuovo studio, i fotoni oscuri non avrebbero riscaldato l’Universo primordiale come si pensava in precedenza. Le loro scoperte potrebbero cambiare la ricerca della materia oscura, suggerendo che i fotoni oscuri potrebbero nascondersi in più luoghi di quanto si credesse.
I fotoni oscuri
Da tempo i fisici prevedono che i fotoni oscuri si sarebbero convertiti in luce ordinaria nelle calde nubi di idrogeno neutro che permeavano l’universo primordiale. Se ciò fosse vero, questo processo di riscaldamento avrebbe lasciato tracce rilevabili di fotoni oscuri, e una vasta porzione della densità di materia ed energia dell’universo (lo spazio dei parametri) sarebbe stata esclusa dai modelli cosmologici. In sostanza, questo significa che queste regioni escluse potrebbero contenere la chiave per comprendere i fotoni oscuri.
Queste esclusioni implicavano che la forza della materia oscura dovesse essere 108 volte più debole di quanto non possa essere in realtà. E adesso, un nuovo articolo scientifico ha aperto molte nuove possibilità per la sua ricerca. In generale, i ricercatori presumevano che il processo di conversione fosse lineare e che l’energia si trasformasse lentamente in plasma. Tuttavia, il fabbisogno energetico sarebbe enorme, il che pone problemi ai modelli cosmologici. Questo ha portato alla collaborazione tra gli scienziati Huang, Hook e Shalaby, autori della ricerca, di cui quest’ultimo è specializzato in fisica del plasma.
Insieme, hanno eseguito delle simulazioni che hanno dimostrato che la teoria standard della conversione lineare era incompleta. Le simulazioni hanno invece mostrato che una volta che l’energia dei fotoni oscuri entra nel plasma, il sistema diventa violentemente non lineare e il processo di conversione si arresta prima che possa verificarsi un riscaldamento significativo.
Un diverso processo di conversione
Il trattamento utilizzato negli ultimi 15 anni è stato di tipo lineare. Usando questa approssimazione, si può calcolare la quantità di energia trasferita, che risulta essere molto elevata. Ma gli scienziati si sono resi conto che non è attualmente possibile. Durante la conversione dell’energia nel plasma del modello standard, il plasma impazzisce. Il sistema presenta numerose non linearità, che sostanzialmente interrompono la conversione di energia dopo che ne è stata convertita una quantità minima.
Questo è un caso di studio in cosmologia. Molti sistemi astrofisici sono stati utilizzati per cercare effetti simili, e ora devono essere tutti rivalutati. L’approssimazione lineare, che è facile da calcolare, potrebbe non avere nulla a che fare con il comportamento reale della magnetosfera di una stella di neutroni o di una nana bianca.
Ricerca di altre particelle elusive
Secondo l’analisi del team, il vincolo cosmologico convenzionale sui fotoni oscuri non è valido in circa dieci ordini di grandezza, che vanno da frequenze di circa 10⁻¹⁵ elettronvolt (eV) a 10⁻⁶ eV, corrispondenti approssimativamente alle frequenze dei kilohertz e dei gigahertz dello spettro radio. Questo rappresenta un intervallo significativo precedentemente escluso dallo spazio dei parametri e potrebbe aprire nuove prospettive negli studi cosmologici. Secondo Shalaby, potrebbe essere esteso per contribuire alla ricerca di altre particelle elusive.
“Calcolando correttamente il plasma dell’universo primordiale, gli esperimenti esploreranno nuovi spazi di parametri e potenzialmente osserveranno qualcosa di concreto. È un approccio veramente interdisciplinare. È l’interazione tra la fisica del plasma e la fisica delle particelle“, ha affermato. “E questo avrà un impatto diretto su chi si occupa di esperimenti.“
Per saperne di più
- Leggi l’articolo originale su Universe Today
- Leggi il paper scientifico intitolato “No Cosmological Constraints on Dark Photon Dark Matter from Resonant Conversion: Impact of Nonlinear Plasma Dynamics” pubblicato su American Physical Society
