Una delle evidenze più robuste dell’esistenza di fisica oltre il Modello Standard è data dalla materia oscura. Osservazioni astrofisiche e cosmologiche, dalla dinamica delle galassie alla formazione delle strutture cosmiche, fino alle anisotropie della radiazione cosmica di fondo, indicano che la maggior parte della materia dell’Universo non è costituita da particelle ordinarie. Questa componente non emette né assorbe luce in modo apprezzabile, ma manifesta la propria presenza attraverso la gravità.L’interpretazione particellare della materia oscura è particolarmente interessante perché collega un problema cosmologico a domande fondamentali della fisica delle particelle. Nel Modello Standard non esiste infatti una particella stabile, neutra e sufficientemente abbondante che possa costituire la materia oscura osservata. Per questo motivo l’origine microscopica della materia oscura rappresenta una delle motivazioni più forti per introdurre nuova fisica.
In molti scenari teorici la materia oscura è descritta da una nuova particella, o da un intero settore di nuove particelle, debolmente accoppiato al Modello Standard. La stabilità della particella di materia oscura può essere garantita da una nuova simmetria, analoga per certi aspetti alle simmetrie che nel Modello Standard determinano le leggi di conservazione. Le sue interazioni con le particelle note possono essere mediate dal bosone di Higgs, da nuovi bosoni vettori, da particelle scalari addizionali, oppure da interazioni efficaci che emergono a basse energie come traccia di una dinamica più fondamentale.
Con queste motivazioni, lo studio teorico della materia oscura particellare si articola nel nostro Dipartimento in diverse direzioni:
* costruendo modelli di nuova fisica che contengano candidati realistici di materia oscura e ne spieghino la stabilità, la massa e le interazioni (R. Franceschini)
* analizzando le manifestazioni sperimentali di questi modelli in esperimenti di laboratorio, in osservazioni astrofisiche e in misure cosmologiche di precisione.
L’attività teorica in questo ambito mira a capire quali proprietà debba avere una particella di materia oscura per essere compatibile con l’insieme dei dati disponibili e come questo genere di particelle puó essere collegeto ad altri fenomeni essenziali per capire la struttura del Modello Standard, in particolare l’orgine della scala elettrodebole e il meccanismo di Higgs.
I modelli servono sia a formulare spiegazioni dell’origine della materia oscura sia a individuare segnali misurabili. Le ricerche dirette cercano l’urto elastico di particelle di materia oscura con nuclei o elettroni in rivelatori sotterranei a bassissimo fondo. Le ricerche indirette cercano invece i prodotti dell’annichilazione o del decadimento della materia oscura, come fotoni, neutrini, positroni o antiprotoni, provenienti da regioni astrofisiche dense. Gli esperimenti ai collider, come il Large Hadron Collider del CERN, possono produrre particelle di materia oscura in collisioni ad alta energia, rivelandole attraverso energia e impulso mancanti associati a particelle visibili.
La combinazione di questi approcci è al centro dell’approccio al problema della materia oscura perseguito in Dipartimento ad esempio in lavori come:
- Link identifier #identifier__890-1https://arxiv.org/abs/2205.04486
- Link identifier #identifier__127069-2https://arxiv.org/abs/2107.09688
Membri:
Link identifier #identifier__42364-3Roberto Franceschini
23 Giugno 2026