Cercare di spiegare i fenomeni dell’universo è da sempre stato uno dei più grandi obiettivi dell’uomo. Grandi scienziati hanno passato l’intera vita a comprendere e studiare il cosmo, portando alla luce scoperte che hanno cambiato anche il punto di vista, nella vita di ogni giorno, ad ognuno di noi. La sfida più ardua che in questo periodo storico i fisici stanno affrontando, è di trovare tracce della materia più abbondante dell’universo, ma invisibile ai nostri occhi: la materia oscura. Essa rappresenta il rompicapo più arduo che i fisici abbiano mai incontrato nella storia. Affinché si trovi traccia di questa materia, i ricercatori stanno attuando l’esperimento Padme (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment) che vedrà anche l’Italia in prima linea. L’esperimento si baserà sullo scovare una particella, che darebbe vita alla formazione della quinta forza fondamentale in natura, ovvero il ponte tra noi e la materia oscura: il fotone oscuro.
Forze fondamentali in natura
le interazioni fondamentali o forze fondamentali sono le interazioni o forze della natura che permettono di descrivere i fenomeni fisici a tutte le scale di distanza e di energia e che non sono quindi riconducibili ad altre forze. Sono state individuate quattro forze o interazioni fondamentali:
- l’interazione gravitazionale, determina la forza di gravità sulla Terra e l’attrazione fra i pianeti, fenomeni descritti in buona approssimazione dalla legge di gravitazione universale. Due corpi si attraggono in modo direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse, in altre parole la forza gravitazionale è proporzionale alla massa, diversamente dall’interazione elettromagnetica, dove la carica elettrica di un corpo non ha in generale nessuna relazione con la sua massa.
- l’interazione elettromagnetica, responsabile delle proprietà chimiche degli atomi e della struttura delle molecole. La carica elettrica determina l’intensità e il verso dell’interazione fra corpi carichi, corpi con uguali cariche elettriche si respingono, mentre corpi con cariche elettriche discordi si attraggono. La forza elettromagnetica è il risultato dell’interazione locale fra i corpi carichi e il campo elettromagnetico. Il campo elettromagnetico può propagarsi come un’onda, come nel caso delle onde radio e della luce stessa.
- l’interazione nucleare debole, responsabile delle forze che intervengono nei decadimenti nucleari. L’interazione debole ha un raggio d’azione finito comparabile alle scale delle lunghezze subatomiche, quindi particolarmente piccolo, se raffrontato con le scale umane.
- l’interazione nucleare forte,neutralizza le forze elettriche repulsive e fa sì che il nucleo possa restare unito, intervenendo quando i protoni sono più vicini ai neutroni di una certa distanza limite. Il nucleo è un oggetto molto stabile per merito della forza nucleare forte, la quale ci fa capire anche quanto sia fondamentale per la stabilità del nucleo. In assenza di questa forza avverrebbero una serie di reazioni nucleari!
Come Padme troverà la “quinta forza”
Il modo in cui si pensa di trovare il “fotone oscuro” non si discosta più di tanto dal metodo utilizzato per la scoperta di diverse particelle presenti nel modello standard. Al centro dell’esperimento, nei laboratori nazionali di Frascati dunque, non ci sono i protoni, ma i positroni, le antiparticelle degli elettroni, usati anche in analisi cliniche come la Pet. Questi positroni, accelerati all’energia di 550 MeV (MegaelettronVolt), collidono contro un bersaglio fisso: dalle numerosissime collisioni vengono prodotte altre particelle e i fisici sperano di trovare indizi anche del fotone oscuro. Insomma, un po’ come quando si gioca a freccette, queste particelle accelerate e sparate si scontreranno contro un centro fisso che è un sottilissimo bersaglio fatto di diamante, di spessore pari a un decimo di millimetro. E il fotone oscuro dovrà essere scovato fra un milione di collisioni di particelle al secondo. Interagendo con gli elettroni atomici, i positroni potrebbero produrre i fotoni oscuri assieme ad un fotone visibile. Padme si servirà per la prima volta di collisioni di positroni su un bersaglio fisso con lo scopo di esplorare il contenuto di quella parte nascosta del cosmo che chiamiamo materia oscura
