Da quasi un secolo sappiamo che nell’Universo manca qualcosa.

Vediamo le galassie comportarsi come se contenessero molta più materia di quella che riusciamo a osservare. Vediamo gli effetti gravitazionali. Ricostruiamo la distribuzione di qualcosa che non emette luce. Le abbiamo persino dato un nome: materia oscura.

Il problema è che ancora non sappiamo cosa sia.

Negli anni sono comparsi candidati di ogni genere: WIMP, altre particelle ipotetiche e persino buchi neri primordiali nati nell’Universo primordiale. Quando l’esperimento non riesce ancora a decidere, ai fisici rimane anche un’altra domanda: quanto una teoria è naturale?

Quando una teoria ha bisogno di troppe coincidenze

In fisica “naturale” non significa semplice o intuitiva. Significa, in questo contesto, che un modello riesce a produrre ciò che osserviamo senza richiedere che alcuni parametri siano regolati con una precisione estrema.

Immaginate una cassaforte che si apre con una combinazione scelta in un intervallo piuttosto ampio. Poi immaginatene un’altra che funziona soltanto se un valore viene impostato con una precisione esasperata. Entrambe possono funzionare, ma la seconda ci spinge inevitabilmente a domandarci perché proprio quel valore.

È il problema del fine-tuning.

Mettere le teorie sullo stesso banco di prova

Il fisico Stefano Profumo, dell’Università della California a Santa Cruz, ha provato a rendere quantitativo questo confronto applicando misure di sensibilità in modo uniforme a un ampio insieme di scenari di materia oscura: modelli particellari e diversi meccanismi capaci di produrre buchi neri primordiali.

Il principio è intuitivo: si modificano leggermente i parametri iniziali e si osserva quanto cambia l’abbondanza di materia oscura prevista. Se una piccola variazione sconvolge il risultato, il modello è molto sensibile; se continua a funzionare senza regolazioni esasperate, lo è meno.

Il risultato rompe una semplificazione diffusa: non esiste una divisione netta in cui le particelle siano automaticamente “naturali” e i buchi neri primordiali automaticamente “fine-tuned”. Alcuni meccanismi di formazione dei buchi neri primordiali mostrano sensibilità paragonabili a candidati particellari ben noti, mentre altri scenari — di entrambe le famiglie — sono molto più delicati.

E quindi abbiamo scoperto la materia oscura?

No. Ed è proprio qui che questa storia diventa interessante.

Nessun criterio di eleganza o naturalness può sostituire una rivelazione sperimentale. Il lavoro non dimostra che la materia oscura sia composta da buchi neri primordiali e non incorona un candidato definitivo. Confronta invece, con uno stesso metro, quanto differenti costruzioni teoriche siano sensibili ai propri parametri.

Forse abbiamo commesso per anni un errore molto umano: attribuire la stranezza non al modello, ma all’oggetto che descrive. Un buco nero nato nell’Universo primordiale può sembrarci più assurdo di una particella invisibile. Ma all’Universo non interessa ciò che a noi sembra assurdo.

La natura non è obbligata a essere elegante

C’è qualcosa di profondamente affascinante nel fatto che utilizziamo la matematica non soltanto per descrivere l’Universo, ma anche per decidere quali spiegazioni meritino di essere inseguite.

È uno strumento potentissimo. Purché non dimentichiamo la differenza tra una teoria bella e una teoria vera.

Perché la natura non ha mai firmato un contratto nel quale prometteva di essere semplice.

E forse la materia oscura, qualunque cosa sia, sta aspettando proprio che smettiamo di chiederle di assomigliare alle nostre aspettative.

Fonti

• UC Santa Cruz — Is dark matter “natural?”
• Physical Review D — Primordial black hole dark matter: A quantitative parameter sensitivity comparison across formation mechanisms and particle candidates