Come possono i raggi gamma svelare il mistero della materia oscura?

Le galassie nascoste nella notte cosmica custodiscono un segreto: la materia oscura. Non emette luce, ma quando le sue particelle, chiamate WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), si scontrano, rilasciano fotoni ad altissima energia, i cosiddetti raggi gamma. Per catturare questi fotoni, gli astronomi usano telescopi Cherenkov, che trasformano la luce blu prodotta da particelle ultraveloci nell’atmosfera in segnali elettrici. Il progetto MACE, situato a Hanle, in India, è uno dei più recenti esperimenti di questo tipo. Grazie al suo grande specchio e alla posizione ad alta quota, MACE può osservare i raggi gamma con energia da 200 GeV a 10 TeV. I bersagli preferiti sono le galassie nane come Segue 1 e Draco, piccole ma ricche di materia oscura. Osservandole, MACE spera di rilevare un eccesso di fotoni che non può essere spiegato da processi astrofisici noti. Un segnale del genere sarebbe la prova più diretta della natura delle WIMP. Anche se finora non c’è ancora una scoperta definitiva, ogni notte di osservazione restringe il campo delle possibilità, guidando i teorici verso modelli più realistici. In questo modo, i raggi gamma diventano una lente potente per scrutare l’ignoto, avvicinandoci passo dopo passo al cuore della materia oscura.

Le WIMP sono ipotizzate come particelle massive (da qualche decina di GeV a diverse TeV) che interagiscono solo tramite la forza debole e la gravità. In un modello tipico di annichilazione, due WIMP si scontrano e si trasformano in coppie di particelle standard, tra cui quark, leptoni o bosoni di gauge, che a loro volta decadono producendo fotoni gamma. La distribuzione spaziale della densità di materia oscura è descritta da profili come NFW o Einasto, i quali prevedono un picco di densità al centro delle galassie nane. Questo rende oggetti come Segue 1 e Draco ottimali per ricerche indirette: la loro bassa attività astrophysica riduce il rumore di fondo, mentre la loro alta concentrazione di materia oscura aumenta il fattore J, ovvero l’integrale della densità al quadrato lungo la linea di vista. I telescopi Cherenkov, come MACE, sfruttano l’effetto Cherenkov prodotto da particelle secondarie di un'onda d’urto atmosferica: quando un fotone gamma interagisce con l’atmosfera, genera una cascata elettromagnetica che emette luce blu‑ultravioletto. Il grande diametro del collettore di MACE (≈ 21 m) e la sua elevata altitudine (≈ 4 500 m) migliorano la soglia energetica e la risoluzione angolare, consentendo di distinguere segnali deboli da background di raggi cosmici. Inoltre, l’analisi spettrale dei fotoni rilevati permette di confrontare la forma attesa di un segnale di annichilazione (tipicamente una curva a “coda” con un picco vicino alla massa della WIMP) con quella osservata. L’assenza di un eccesso significativo porta a impostare limiti superiori sul cross‑section di annichilazione ⟨σv⟩, restringendo i parametri consentiti per i modelli di supersimmetria o di teoria delle dimensioni extra. In sintesi, MACE combina capacità di rilevamento avanzate con target astrofisici privilegiati, fornendo un test cruciale per la fisica delle particelle al di fuori degli acceleratori terrestri.