Elena Pinetti, cacciatrice di materia oscura al Center for Computational Astrophysics del Flatiron Institute, al liceo si innamorò delle equazioni di Maxwell e del fatto che tutto l’elettromagnetismo potesse essere descritto da sole quattro leggi. La prima incursione di Pinetti nella fisica teorica è stata quando era una studentessa universitaria e lavorava a un progetto che esaminava le onde gravitazionali emesse dalle pulsar, che ha completato solo pochi mesi prima che le prime onde gravitazionali fossero rilevate sperimentalmente. “È stato incredibile”, dice. “È stato un ottimo inizio per la mia carriera”. Da lì, Pinetti ha fatto uno stage in un gruppo che studiava la materia oscura, un argomento su cui non si aspetta di smettere di lavorare. Physics Magazine ha incontrato Pinetti per scoprire di più sul suo lavoro e sul perché la ricerca della materia oscura la eccita così tanto.
Che tipo di particelle di materia oscura cerchi?
Tutti quanti, non ne ho uno preferito. Il mio approccio è guardare quali strumenti sono disponibili e poi vedere cosa posso fare con quegli strumenti. Quindi, ho lavorato alla ricerca di molti candidati alla materia oscura: WIMP, assioni, neutrini sterili, materia oscura sub-giga-elettron-volt. Finché non troveremo la materia oscura, penso che dovremmo cercare ovunque e cercare quanti più candidati alla materia oscura possibile.
Pensi che esista un solo tipo di particella di materia oscura o gli scienziati finiranno per scoprirne molte?
Molto probabilmente ci sarà un modello standard delle particelle di materia oscura. Se si considera solo la materia nell’Universo, ignorando l’energia, solo il 20% è materia normale. Per spiegare quella materia abbiamo 17 particelle fondamentali. La materia oscura costituisce l’80% della materia, quindi molto probabilmente avremo bisogno di un numero enorme di particelle di materia oscura per spiegarla.
Se esiste una pletora di particelle di materia oscura, perché pensi che non ne sia stata ancora trovata nessuna?
Non abbiamo scoperto ogni particella nel modello standard della fisica delle particelle nello stesso momento. Ci sono voluti millenni per passare dalla scoperta di materiali, come il ferro, alla scoperta di atomi e poi di elettroni e protoni. Per molto tempo, abbiamo pensato che i protoni fossero le particelle di base, finché non abbiamo scoperto che i protoni sono fatti di quark. Dobbiamo solo trovare un tipo di particella di materia oscura e poi continuare.
Di recente hai utilizzato i dati del JWST per cercare gli assoni. Puoi raccontarcelo?
Ho condotto uno studio pilota (vedi Viewpoint: Detecting Axion-Like Dark Matter with the JWST ) e di recente ho condotto uno studio più ampio che ha utilizzato oltre 15.000 spettri JWST per cercare un segnale di assione. Gli assioni sono tra i candidati più motivati per la materia oscura, in quanto risolvono non solo il problema della materia oscura, ma anche un enigma eccezionale nella fisica delle particelle noto come problema CP forte (vedi Viewpoint: Homing in on Axions? )
Quando si cerca la materia oscura, la prima cosa che si deve decidere è dove cercare nell’Universo. I posti più gettonati sono il Centro Galattico o gli ammassi di galassie. Il motivo di questa popolarità è che sono posti che ci aspettiamo contengano molta materia oscura. Il problema è che questi posti contengono anche molte fonti astrofisiche di luce, come stelle e nubi di gas. Ciò rende i segnali che provengono da loro molto disordinati ed è difficile dire con certezza “questo segnale proviene da una particella di materia oscura” e non da qualcos’altro.
Con i dati JWST faccio qualcosa di completamente diverso, ovvero osservo le cosiddette immagini del cielo vuoto. Ogni volta che un astronomo osserva la sua galassia preferita, osserva anche il cielo vicino che è “vuoto”, una misurazione del cielo vuoto. Il motivo per cui lo fa è che per capire quanta luce proviene dalla galassia bersaglio, deve sottrarre la luce di fondo locale. Ma le misurazioni del cielo vuoto contengono anche informazioni e vengono catturate in luoghi in cui dovrebbe esserci molta materia oscura e poca emissione astrofisica a coprirla.
JWST ha catturato un’enorme quantità di dati. Come decidi quali utilizzare?
Posso usare ogni singola osservazione del JWST, poiché includono tutte misurazioni del cielo vuoto. Gli astronomi pensano a queste osservazioni come a uno sfondo poco interessante, ma per le ricerche sulla materia oscura sono oro.
Nello studio pilota, ho cercato segnali nei campi di cielo vuoto accanto a una galassia. Ho dimostrato che le immagini di cielo vuoto potevano essere utilizzate per ricerche di materia oscura e che anche con un breve lasso di tempo di osservazione il mio metodo era competitivo con altri metodi di ricerca di materia oscura. Ora sto utilizzando un numero enorme di spettri e ho già migliorato i limiti sulle masse degli assoni della cromodinamica quantistica e delle particelle simili agli assioni di oltre 2 ordini di grandezza. Più tempo aspetto, più osservazioni di cielo vuoto ci saranno e più i miei risultati miglioreranno naturalmente.
La materia oscura è intrinsecamente oscura. Quale segnale stai cercando nei dati JWST?
La materia oscura è molto oscura, ma non deve essere completamente oscura. Ci sono modelli che prevedono che gli assioni dovrebbero decadere in fotoni. Questo decadimento è altamente soppresso, motivo per cui non l’abbiamo ancora visto. È questa luce che sto cercando. Mi sto concentrando sugli assioni con masse di pochi elettronvolt, perché questo intervallo di massa è ancora senza vincoli: nessun altro esperimento può attualmente raggiungere quella finestra di massa. La luce dal decadimento di tali assioni è nell’intervallo infrarosso e ottico, motivo per cui ha senso usare il JWST, che ha una risoluzione sorprendente a queste frequenze.
Finora, tutte le ricerche sulla materia oscura sono state vane. Cosa ti tiene motivato nella tua ricerca?
Essere uno scienziato è davvero come essere un detective. Sai che c’è un mistero che deve essere risolto, e non sarà facile, altrimenti qualcuno lo avrebbe già risolto. Quindi, continuiamo a cercare e a scavare finché non troviamo qualcosa. Il giorno in cui scopriremo la materia oscura, e credo che lo faremo, sarà la scoperta del secolo. Essere in grado di fare quella scoperta sarà valso tutti gli sforzi.
Katherine Wright è vicedirettrice della rivista Physics Magazine
