They represent 96% of our Universe but are invisible to the eyes (and to any more sophisticated instrument): they are the dark matter and dark energy, the greatest enigma of modern cosmology -Rappresentano il 96% del nostro Universo ma sono invisibili agli occhi (e a ogni più sofisticato strumento): sono la materia e l’energia oscura, il più grande enigma della cosmologia moderna.

1. L’universo Oscuro
Giovanni Mazzitelli
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Frascati Scienza

2. ἄπειρον, ápeiron, illimitato, infinito, indefinito…

3. Sempre caro mi fu quest'ermo colle,
E questa siepe, che da tanta parte
Dell'ultimo orizzonte il guardo esclude.
Ma sedendo e mirando, interminati
Spazi di là da quella, e sovrumani
Silenzi, e profondissima quiete
Io nel pensier mi fingo; ove per poco
Il cor non si spaura. E come il vento
Odo stormir tra queste piante, io quello
Infinito silenzio a questa voce
Vo comparando: e mi sovvien l'eterno,
E le morte stagioni, e la presente
E viva, e il suon di lei. Così tra questa
Immensità s'annega il pensier mio:
E il naufragar m'è dolce in questo mare.

4. kenòn, il vuoto, lo spazio…

5. ἄτομος, àtomos, indivisibile…

6. paradosso di Olbers (Keplero 1610): poche il celo e’ buio di notte;
paradosso di Balnqui: duplicazione degli esseri

7. è possibile concepire uno spazio finito senza confini

8. x’ = vt+x
spazio
tempo
spazio-tempo materia
spazio e tempo infiniti
spazio e tempo
limitati dal cono di luce
spazio tempo limitati dal cono di
luce e dalla curvatura dovuta alla materia

12. «Achille, simbolo di rapidità, deve raggiungere la
tartaruga, simbolo di lentezza. Achille corre dieci
volte più svelto della tartaruga e le concede dieci
metri di vantaggio. Achille corre quei dieci metri e la
tartaruga percorre un metro; Achille percorre quel
metro, la tartaruga percorre un decimetro; Achille
percorre quel decimetro, la tartaruga percorre un
centimetro; Achille percorre quel centimetro, la
tartaruga percorre un millimetro; Achille percorre
quel millimetro, la tartaruga percorre un decimo di
millimetro, e così via all'infinito; di modo che Achille
può correre per sempre senza raggiungerla».
Jorge Luis Borges

13. le leggi della meccanica quantistica “non descrivono cosa
succede a un sistema fisico, ma come un sistema fisico viene
percepito da un’altro sistema fisico”
C. Rovelli, Sette Brevi lezioni di Fisica

14. il modello standard
Bosone
di Higgs
MeidatoridiForze
Zbosone
Wbosone
γ
fotone
g
gluone
Famiglie di materia
τtau
νττ-neutrino
bbottom
ttop
III
µmuone
νµ
µ-neutrino
sstrange
ccharm
II
eelettrone
νe
e-neutrino
ddown
up
u
I
LeptoniQuarks
fermioni bosoni

15. La Teoria dei Campi
“non importa cosa interagisce ma come interagisce”

16. Campi, Forze, Simmetrie e Costanti

17. “il modello standard non è mai stato preso sul serio dai fisici […] a prima
vista ha l’aria rappezzata e raccogliticcia” dove campi, forze, costanti e
simmetrie non sono di per se giustificati aprendo “infiniti” dubbi
C. Rovelli, Sette Brevi lezioni di Fisica

18. costante cosmologica
la relatività generale non prevede una
energia del vuoto, come accade in
meccanica quantistica,
inoltre Evuoto >> Eoscura …
e il legame con la materia oscura

19. 10-35 m - 10-43 s
una nuova teoria scaturisce spesso dalla eliminazione di
un infinito che a sua volta fa emergere nuove singolarità
(relatività generale) o divergenze (fisica quantistica)

20. Cosmology
• The Planck epoch - Time < 10-43 s - four fundamental forces were combined into a single, unified force.
• The universe expands - Time 10-43 - 10-36 s - inflation (exponential expiation) explaining why universe was so
flat and uniform, primordial black holes could start to be formed
• The elementary particles are born - Time ~10-36 s - quarks were combined, forming protons and neutrons;
neutrinos were able to escape this plasma of charged particles and began traveling freely through space,
while photons continued to be trapped by the plasma. It could be that dark matter (WIMPs) was part of this
plasma
• The first nuclei emerge - Time ~1 s to 3 min - nucleosynthesis: universe cooled enough for violent collisions
to subside, protons and neutrons clumped together into nuclei of the light elements—hydrogen, helium
and lithium
• The cosmic microwave background (CMB) becomes visible - Time 380,000 y - the particle soup had cooled
enough for electrons to bind to nuclei to form neutral atoms; photons became free to traverse the universe
• The earliest stars - Time: ~100 million years
• Our Sun is born - Time: 9.2 billion years
• Today - Time: 13.8 billion years - The universe is expanding at an increasing rate
—> dark energy

21. Cosmology
• The universe expands -
Time 10-43 - 10-36 s -
inflation (exponential
expiation) explaining why
universe was so flat and
uniform, primordial black
holes could start to be
formed

22. Cosmology
• The elementary particles are
born - Time ~10-36 s - quarks
were combined, forming protons
and neutrons; neutrinos were
able to escape this plasma of
charged particles and began
traveling freely through space,
while photons continued to be
trapped by the plasma. It could
be that dark matter (WIMPs)
was part of this plasma

23. Cosmology
• The first nuclei emerge -
Time ~1 s to 3 min -
nucleosynthesis:
universe cooled enough
for violent collisions to
subside, protons and
neutrons clumped
together into nuclei of the
light elements—hydrogen,
helium and lithium

24. Cosmology
• The cosmic microwave
background (CMB)
becomes visible - Time
380,000 y - the particle
soup had cooled enough
for electrons to bind to
nuclei to form neutral
atoms; photons became
free to traverse the
universe

25. Cosmology
• The earliest stars - Time:
~100 million years
• Our Sun is born - Time:
9.2 billion years
• Today - Time: 13.8 billion
years - The universe is
expanding at an
increasing rate —> dark
energy

26. Astroparticle Physics
Dark
Energy
69.2% Dark
Matter
25.9%
Baryonic
Matter
4.9%
Light
0.01%
dark matter
(WIMPs, AXIONs, other)
dark energy
neutrino physics
( s y m m e t r y ,
oscillation, mass,
hierarchy, number of,
sterile neutrino)
gravitational
wave & tests

27. Dark Energy
• Red shift —> the Universe is in motion
• By means of doppler effect, the velocity of
various galaxies receding from the Earth
appears proportional to their distance
—> the Universe is expanding
• CMB appears with an not uniform spectrum
—> gravitational redshift
it can be viewed as equivalent to the
mass of empty space (which
conceptually could be either positive
or negative), or "vacuum energy".
Einstein introduced a cosmological
constant Λ to contract e collapse of
universe due to gravitational force
imaging a static universe!
H0 ~ 70 km
s−1.Mpc−1
Hubble Constant

28. Plank
• how much normal matter, dark matter, and dark energy are in the Universe,
• were the initial distribution and spectrum of density fluctuations,
• what is the shape/curvature of the Universe.

29. and more example …
LSPE - large scale
polarisation
explorer
QUBIC - Q and U
Bolometric
Interferometer for
Cosmology
LITEBIRD - light satellite for B-
mode from inflation CMB Radiation
observatory

30. Dark Matter - motivation
• Galaxy Rotation Curves
• Velocity Dispersions
• Galaxy Clusters
• Gravitational Lensing
• CMB - Cosmic Microwave Background
• Structure Formation
• Bullet Cluster
• Type Ia supernova distance measurements
• Sky surveys and baryon acoustic oscillations
• Redshift-space distortions
• Lyman-alpha forest
We call Dark matter the ~85% of the matter in the universe, a
quarter of its total energy density, that we don’t see

31. Galaxy Rotation Curves
r
rGM
v
)(
=
Kepler’s 3rd Law applied to Galaxy

32. the Dark Matter “wind”
solar system
Cygnus
galaxy rotation

33. A total of ~ 107 channels readout +
time signals
18 cameras monitoring
330*330 mm each
with 150 mμ resolution and
a sensitivity of ~ 1 ph / 5 eV released in gas
CYGNO is a demonstrator exploiting large
gas TPC, GEM based charge amplification,
hight granularity and sensitivity of optically
readout at atmospheric pressure in HeCF4
based gas mixture
INITIUM-ERC is an R&D for testing
possibility to improve nuclear recoil
threshold and directionality by means of
negative ions gas mixture in CYGNO
demonstrator
sCMOS sensors look to be the most
cost-effective high granularity and high
sensitivity readout

34. pair created in the tail of an
electromagnetic shower
(0.2 T magnetic field)
60 keV γ
ray
AmBe Neutron source
(thanks to FISMEL)
MeV electrons due
to 4 MeV γ
He
nuclear
recoils
electron from
natural
radioactivity
(thanks to Frascati
Beam Test Facility
BTF)
(thanks to
nature…)

35. E.A. Poe… e l’intuizione che guadare allo spazio lontano
e come osservare il nostro universo nel passato

36. • 13,8 miliardi di anni fa nasce l’Universo.
• 4,5 miliardi di anni fa nasce la Terra.
• 2 milioni di anni fa nasce l’Uomo.
• 6000 anni fa iniziamo a tramandare la nostra Storia
• 2400 anni fa Democrito ipotizza l’esistenza degli atomi e Aristotele
pensa uno dei primi e più noti modelli cosmologici.
• 400 anni fa scopriamo di non essere al centro dell’universo, forse
anche di non essere soli.
• 100 anni fa scopriamo le particelle elementari, lo spazio si curva e il
tempo non è universale.
• 50 anni fa scopriamo che non è tanto importante quello che
interagisce, ma come interagisce.
• oggi spieghiamo poco più del 4% di quello che vediamo e
tocchiamo…

37. Il nostro e’ l’unico
universo o ce ne
sono altri?
perché le costanti
della natura sono
così precise?
ci sono costituenti più
piccoli dei quark e
leptoni?
perché non riusciamo a trovare un
modello che includa la gravità?
perché i neutrini non
hanno i loro
simmetrici come le
altre particelle del
Modello Standard? …
cosa sono quelle forze
(energia e materia) oscure
che costituiscono il 96% del
nostro universo?

38. bibliografia
• Finito o infinito? Limiti ed enigmi dell'universo, Jean-Pierre Luminet, Marc Lachièze-Rey
https://www.amazon.it/Finito-infinito-Limiti-enigmi-delluniverso/dp/886030038X/
• Il punto cieco – fisica, tempo e coscienza (AEON)
https://giovannimazzitelli.blog/2019/01/28/il-punto-cieco-fisica-tempo-e-coscienza/
• Sette brevi lezioni di fisica, Carlo Rovelli
https://www.amazon.it/Sette-brevi-lezioni-fisica-Rovelli/dp/8845929256/
• L'ordine del tempo, Carlo Rovelli
https://www.amazon.it/Lordine-del-tempo-Carlo-Rovelli/dp/8845931927/
• Fisica estrema - Le nuove sfide dopo il bosone di Higgs
http://www.lescienze.it/edicola/2014/03/04/news/fisica_estrema-2028529/
• Le regole del gioco. Come la termodinamica fa funzionare l'universo, Peter William Atkins
https://www.amazon.it/regole-gioco-termodinamica-funzionare-luniverso/dp/8808061450/
• Il primo libro di filosofia della scienza, S. Okasha, Einaudi
https://www.ibs.it/primo-libro-di-filosofia-della-libro-samir-okasha/e/9788806181062
• Fisica Sperimentale del Campo Gravitazionale, G. Pizzetta, NIS
https://www.libreriacortinamilano.it/scheda-libro/guido-pizzella/fisica-sperimentale-del-campo-
gravitazionale-9788843009114-291295.html
• Anche i fisici sono filosofi: il ruolo della filosofia nella fisica moderna
http://www.lescienze.it/news/2015/05/16/news/discussione_fisici_filosofi_filosofia_morta_viva-2611425/

39. http://www.frascatiscienza.it/dammi-un-feedback/