In uno studio pubblicato di recente, i fisici delle particelle dell'Università della California Riverside teorizzano che la materia oscura potrebbe essere spiegata con l'esistenza di una nuova dimensione nello spazio-tempo.
In astrofisica, la materia oscura è una forma (ancora teorica) di materia che costituisce circa l'85% della materia nell'universo. L'esistenza di questa forza invisibile è implicata attraverso una varietà di osservazioni nell'universo, inclusi effetti gravitazionali che non possono essere spiegati dalle teorie accettate della gravità. Poiché la materia oscura non sembra assorbire, riflettere o emettere radiazioni elettromagnetiche, misurare o fornire prove definitive della sua esistenza è finora risultato impossibile.
Lo studio sulla quarta dimensione
In un documento di ricerca pubblicato sul Journal of High Energy Physics, un team di fisici dell'UC Riverside afferma che la presenza di una quarta dimensione potrebbe spiegare l'esistenza della materia oscura e spiegare perché rimane invisibile.
“Il nostro universo osservato ha tre dimensioni dello spazio. Proponiamo che ci possa essere una quarta dimensione. La dimensione extra può spiegare perché la materia oscura si è nascosta così bene dai nostri tentativi di studiarla in laboratorio", dice il dott. Philip Tanedo, assistente professore di fisica e astronomia alla UC Riverside e coautore del nuovo studio, in un comunicato stampa.
La quarta dimensione? Una caccia che dura da tanto
Prima dell'ipotesi di una nuova dimensione oscura, l'esistenza di forze invisibili è teorizzata da tanto.
Fu proposta per la prima volta dal fisico matematico e ingegnere William Thomson nel 1884.
Thomson è conosciuto anche come Lord Kelvin dopo essere stato il primo scienziato britannico ad essere elevato alla Camera dei Lord.
Thomson stimò che la massa della Via Lattea differisse dalla massa luminosa delle stelle visibili, concludendo che "molte delle nostre stelle, forse la grande maggioranza di esse, sono forse corpi oscuri".
Nel secolo successivo, gli scienziati hanno fatto numerose osservazioni indirette a sostegno dell'esistenza proposta da Thomson di "corpi oscuri" o della presenza di un qualche tipo di materia invisibile che svolge un'influenza significativa sull'universo.
Non la vediamo, ma sappiamo che c'è
La prova principale dell'esistenza di una forza invisibile proviene da calcoli che mostrano che le galassie non si formerebbero o si muoverebbero così senza una grande quantità di materia invisibile.
Finora, gli scienziati non sono stati in grado di rilevare direttamente la materia oscura, portando la maggior parte dei fisici a concludere che la sostanza deve essere costituita da particelle non barioniche o particelle subatomiche la cui massa è inferiore a quella di un protone. Le prove indirette, tuttavia, sono state abbastanza forti da portare la maggior parte della comunità scientifica ad accettare in generale l'esistenza della materia oscura (e di quattro dimensioni, anzi: ALMENO quattro).
"Viviamo in un oceano di materia oscura, eppure sappiamo molto poco su cosa potrebbe essere", ha detto Tanedo. “È una delle incognite conosciute più irritanti in natura. Sappiamo che esiste, ma non sappiamo come cercarla, o perché non si è presentata dove ce lo aspettavamo».
Una 4a dimensione potrebbe spiegare la materia oscura?
Nel nuovo articolo, Tanedo e i suoi colleghi suggeriscono che le particelle di materia oscura non si comportano come particelle.
"L'obiettivo del mio programma di ricerca negli ultimi due anni è estendere l'idea della materia oscura che 'parla' alle forze oscure", ha detto Tanedo nel comunicato stampa della UC Riverside. “Negli ultimi dieci anni, i fisici hanno capito che, oltre alla materia oscura, altre forze oscure nascoste possono governare le interazioni della materia oscura. Confermare la loro esistenza potrebbe riscrivere completamente le regole su come cercare la materia oscura”.
Tanedo ribadisce che questa operazione di "forze oscure" può essere descritta matematicamente da una teoria che include una quarta dimensione in più.
La materia oscura apparirebbe come una sequenza continua di particelle adiacenti all'interno di questa quarta dimensione oscura. Questo spiegherebbe come la materia oscura provochi alcuni dei comportamenti curiosi osservati nelle piccole galassie.
Una dimensione in più, idea ricorrente
Sebbene l'esistenza di una nuova quarta dimensione suoni sensazionale, Tanedo ha spiegato che le extra-dimensioni sono semplicemente un trucco matematico per descrivere anche teorie ordinarie.
Dopotutto, l'idea che l'esistenza sia costituita da una dimensione, anzi da tante extra-dimensioni in più è comunemente riferita anche nella Teoria delle Stringhe o in quella dell'universo olografico.
Pensare in modo non convenzionale
Gli esami passati della materia oscura si sono concentrati principalmente su teorie che spiegano comportamenti simili alle particelle visibili. Tanedo e i suoi colleghi ricercatori affermano che il loro nuovo approccio alla quarta dimensione esplora possibilità nuove, non considerate prima.
Le forze ordinarie possono essere descritte come un singolo tipo di particella con una massa fissa.
La teoria proposta prevese che le particelle invisibili possano essere descritte da un numero infinito di particelle diverse con masse diverse chiamate continuum.
Forze diverse
I ricercatori affermano che la forza continua di queste particelle invisibili sarebbe molto diversa dalle forze percepite dalla materia ordinaria. “Per la forza gravitazionale o elettrica che insegno nel mio corso introduttivo di fisica, quando raddoppi la distanza tra due particelle, riduci la forza di un fattore quattro. Una forza continua, d'altra parte, viene ridotta di un fattore fino a otto", ha spiegato Tanedo.
Nel documento, i fisici dell'UC Riverside affermano di aver scoperto che una forza continua come quella proposta potrebbe replicare le osservazioni dei movimenti stellari nell'universo.
Prossimo passo, un "fotone oscuro"
Il team di Tanedo afferma che intendono continuare ad espandere la loro teoria esplorando un modello di "fotone oscuro".
"È un'immagine più realistica per una forza oscura", ha detto Tanedo. “I fotoni oscuri sono stati studiati nei minimi dettagli, ma la nostra struttura della quarta dimensione ha alcune sorprese. Esamineremo anche la cosmologia delle forze oscure e la fisica dei buchi neri».
