La materia oscura e l'energia oscura ipotizzate per descrivere i moti delle galassie e l'accelerazione dell'espansione dell'universo non influenzano le forze gravitazionali che agiscono a livello microscopico. È la conclusione di uno studio su neutroni che pone un limite alle teorie sulla natura di queste due misteriose entità che insieme compongono il 95 per cento del cosmo.

A livello microscopico non c'è traccia di materia oscura, cioè della materia che rende conto del 27, 8 per cento nella composizione dell'universo, ma dalla natura ancora oggi misteriosa e rilevabile solo in modo indiretto. E non c'è traccia nemmeno di energia oscura, l'altrettanto misteriosa "essenza" che pesa per il 68 per cento circa nella composizione del cosmo e spiega perché l'espansione dell'universo è accelerata. È il risultato di un esperimento su neutroni effettuato da ricercatori del Politecnico di Vienna guidati da Hartmut Abele, che firmano un articolo sulle "Physical Review Letters", già pubblicato su ArXiV.

Dalle misurazioni effettuate con il loro apparato sperimentale risulta infatti che i neutroni si comportano esattamente come previsto tenendo conto della sola forza gravitazionale, senza cioè le perturbazioni che dovrebbero essere rilevabili con la presenza della materia oscura e dell'energia oscura. Le teorie "esotiche" che sono state formulate finora per spiegare queste due entità fisiche misteriose prevedono nuovi tipi di particelle e di forze che a livello microscopico dovrebbero farsi sentire, influenzando l'interazione gravitazionale. La gravità è una delle quattro forze fondamentali della natura, insieme alla forza elettromagnetica, alla forza debole e a quella forte, e i suoi effetti si fanno sentire tra due o più corpi dotati di massa a qualunque scala dimensionale, da quelle atomiche a quelle cosmologiche. È proprio osservando il moto di rotazione di alcune galassie che ci si è capito che la legge di gravitazione universale continua a valere solo se si ipotizza che insieme alla massa direttamente osservabile vi sia una quantità enormemente superiore di massa non rilevabile con gli strumenti, la cosiddetta materia oscura.

Nel caso del moto di espansione dell'universo, d'altra parte, è emersa un'ulteriore anomalia, perché se tra le masse lontane agisse solo la forza di gravità, l'espansione dovrebbe rallentare. Invece le misurazioni dimostrano che l'espansione procede a ritmo accelerato: le galassie si allontanano le une rispetto alle altre con velocità sempre maggiore. Da qui la necessità di ipotizzare l'esistenza di una forma di energia, la cosiddetta energia oscura, che agisce come una sorta di forza di gravità repulsiva.

Ma come rilevare la presenza della materia oscura e dell'energia oscura? Ricercatori di ogni parte del mondo si stanno ingegnando per trovare effetti misurabili dal punto di vista sperimentale. E una delle strategie possibili è scendere al livello microscopico per verificare se nel caso si leggi fisiche note ci sono piccole deviazioni dal comportamento previsto.

In quest'ultimo esperimento gli autori hanno studiato il comportamento di un fascio di neutroni prodotto da un reattore nucleare. Inizialmente questi neutroni si muovevano a una velocità di 2200 metri al secondo, poi sono stati rallentati fino a 7 metri al secondo e infine raffreddati fino poche frazioni di grado sopra lo zero assoluto, cioè a temperature in cui i neutroni hanno energie cinetiche bassissime. Una volta raffreddati, i neutroni sono stati inviati in una cavità costituita da due piani paralleli, uno in grado di riflettere i neutroni che vi incidono e l'altro di assorbirli. In questo modo era possibile manipolare lo stato energetico dei neutroni in funzione delle necessità sperimentali.

In queste condizioni, i neutroni risentono come tutti i corpi, del campo gravitazionale terrestre, ma l'energia gravitazionale di ogni particella è quantizzata. Questo significa che non può assumere uno spettro continuo di valori, ma solo certi valori discreti. E gli sperimentatori sono in grado, cambiando alcuni parametri della superficie riflettente, di misurare i livelli energetici dei neutroni con una precisione 100.000 volte maggiore rispetto ad analoghi esperimenti effettuati di recente.

I dati raccolti da Abele e colleghi non hanno rilevato alcuna deviazione dal comportamento previsto dalle leggi che descrivono la forza di gravità, e quindi, entro i valori di accuratezza sperimentale, non sembra esserci traccia della materia oscura e dell'energia oscura a livelli microscopico. I valori misurati, pongono un limite stringente per tutte le ipotesi sulla natura della materia oscura e dell'energia oscura.