Quasi un secolo di osservazioni astronomiche convincenti hanno mostrato che la materia ordinaria e visibile costituisce solo una piccola frazione dell’Universo. Esso risulta invece formato per la maggior parte da una componente di materia non-visibile, detta Materia Oscura, e da una componente misteriosa di energia, detta Energia Oscura.
Le misure sull’anisotropia del Fondo Cosmico a Microonde (CMB) accreditano in modo significativo che l’Universo è piatto, avendo una densità uguale a quella critica (ΩTOT = ρTOT/ρcrit =1, con ρcrit =3H2/8πG circa 6 atomi di idrogeno per m3). I modelli cosmologici applicati alle misure della CMB, le osservazioni sulle Supernovae, le Oscillazioni Acustiche dei Barioni e le strutture su larga scala, permettono di stimare la frazione relativa della componente di materia e di energia dell’Universo. I valori che si ottengono sono: Ωrad ≈ 5 × 10-5 per la densità di radiazione, Ωb ≈ 0.05 per la materia barionica, ΩDM ≈ 0.27 per la Materia Oscura non barionica, Ωλ≈ 0.68 per l’Energia Oscura. Per quel che riguarda i neutrini nell’Universo, la loro densità è fortemente limitata dalla strutture su larga scala che favoriscono un valore al di sotto di Ων ≈ 0.01. Il contributo stimato per la materia barionica , Ωb ≈ 0.05, è anche in accordo con la teoria della Nucleosintesi del Big Bang che è in grado di predire le abbondanze dei nuclei leggeri nell’Universo. Questo valore è molto maggiore della densità di materia luminosa che è solo Ωlum ≈ 0.004 ed indica che la maggior parte dei barioni sono oscuri e, probabilmente, costituiscono il mezzo intergalattico diffuso. Pertanto, i valori dei parametri cosmologici indicano che la maggior parte di materia nell’Universo è Oscura, cioè non emette né assorbe luce, ed è costituita da particelle di natura non barionica prodotte durante il Big Bang.
Dal punto di vista astronomico, molte osservazioni hanno evidenziato l’esistenza di una componente di materia non luminosa dell’Universo a scale di grandezza molto differenti.
La prima evidenza è stata ottenuta nel 1933 quando F. Zwicky, misurando la velocità di dispersione delle galassie dell’ammasso COMA, si rese conto che la velocità con cui si muovevano le Galassie nell’ammasso non poteva essere spiegata se si considerava l’attrazione gravitazionale esercitata dalla sola materia visibile dell’ammasso. F. Zwicky arrivò quindi alla conclusione che era necessario considerare anche la presenza di una componente rilevante di materia non luminosa nell’ammasso. Un passo cruciale per l’esistenza della Materia Oscura nell’Universo è stato fatto negli anni ’70 quando è stata evidenziata la sua presenza nelle galassie a spirale. Si osservò, infatti, che la velocità rotazionale nel piano galattico in funzione della distanza dal centro della galassia rimane piatta anche al di fuori del disco luminoso. Questo implica l’esistenza di un alone oscuro che contribuisce alla massa della Galassia proporzionalmente al suo raggio. La quantità di materia non luminosa che si può stimare da queste misure è circa quattro volte maggiore della materia luminosa.
Altre prove dell’esistenza di Materia Oscura sono state ottenute dall’osservazione dei raggi-X emessi dai gas caldi che circondano le galassie ellittiche, dalla distribuzione della velocità del plasma caldo intergalattico negli ammassi e dal lensing gravitazionale debole. Tutte queste osservazioni sono basate su effetti gravitazionali e conducono alla stessa conclusione circa la presenza preponderante di Materia Oscura nell’Universo. Più recentemente, nel 2004, è stato ottenuto un risultato convincente osservando il “Bullet Cluster” (1E0657-558): una collisione tra due ammassi di galassie nella quale le componenti di materia barionica calda dei due ammassi – osservate tramite i raggi-X emessi – collidono e decelerano restando nella parte centrale del sistema, mentre la distribuzione di massa, ottenuta dalle misure di lensing gravitazionale debole, è concentrata nella parte esterna del sistema. Questa dislocazione di materia ordinaria rispetto al profilo di massa ottenuto indica che negli ammassi la parte più cospicua di materia è non-collidente e ha natura non luminosa. Il “Bullet Cluster” può essere spiegato solo considerando l’esistenza di Materia Oscura non barionica e non può essere interpretato in termini di teorie della gravità modificata. La Via Lattea è, a sua volta, incorporata in un grande alone oscuro la cui densità nelle vicinanze del Sole è stata stimata essere dell’ordine di ≈ 0.3 GeV/cm3, dipendendo dal modello di alone.
Tutte le evidenze ottenute indicano che la Materia Oscura è presente nell’Universo e ne costituisce un importante ingrediente per la sua evoluzione, avendo un ruolo cruciale nella formazione delle strutture. Pertanto una grande componente dell’Universo deve essere in forma di particelle provenienti dal Big Bang di natura non barionica. Queste particelle, per sopravvivere fino ad oggi con un’abbondanza rilevante devono essere neutre, stabili o con tempo di vita medio confrontabile con l’età dell’Universo e devono avere un basso tasso di interazione con la materia ordinaria. E’ importante notare che nessuna particella appartenente al Modello Standard di fisica delle particelle sia un buon candidato come Materia Oscura; questa può essere considerata come una motivazione per teorie che estendono il Modello Standard nelle quali, infatti, sono stati proposti molti candidati come Materia Oscura che hanno varia natura e tipo di interazione. Tra i molti candidati di Materia Oscura si ricordano le particelle stabili proposte in teorie Supersimmetriche (come per esempio il neutralino o lo sneutrino in vari scenari), Materia Oscura inelastica, Materia Oscura interagente con gli elettroni, neutrino sterile, particelle di Kaluza-Klein, Materia Oscura auto-interagente, assioni o particelle tipo assioni (candidati leggeri pseudoscalari o scalari), Materia Oscura mirror, ecc. E’ comunque importante notare che, considerando la ricchezza di particelle ordinarie nell’Universo visibile, è possibile aspettarsi che le particelle di Materia Oscura siano multi-componente.
Un processo di interazione tra particelle di Materia Oscura e materia ordinaria largamente considerato è la diffusione elastica; in questo caso la quantità misurata da un esperimento che vuole rivelare l’interazione della Materia Oscura con i nuclei bersaglio è l’energia di rinculo del nucleo; comunque, si possono considerare anche altri processi di interazione per vari candidati di Materia Oscura nei quali il segnale prodotto è totalmente o in parte di tipo elettromagnetico. Poiché la velocità delle particelle nella Galassia è dell’ordine di circa 300 km/s e considerando il fattore di quenching del rivelatore per i rinculi nucleari, l’energia rilasciata nell’interazione è attesa nella regione dei keV. Inoltre le interazioni sono previste essere rare a causa della bassa sezione d’urto così che gli esperimenti di rivelazione diretta di Materia Oscura – per essere sensibili al segnale previsto rispetto al fondo - utilizzano tecniche di basso fondo. Per prima cosa essi si realizzano in laboratori sotterranei dove la radiazione prodotta dai raggi cosmici è fortemente ridotta. Per ridurre ulteriormente la radiazione di fondo misurata, i rivelatori sono inseriti in schermi pesanti in grado di assorbire la radiazione ambientale esterna; inoltre, tutti i materiali utilizzati, ed il rivelatore stesso, sono caratterizzati da un bassissimo livello di contaminanti radioattivi residui. Ogni esperimento ha realizzato specifiche soluzioni sperimentali e configurazioni dei rivelatori per ridurre ulteriormente il fondo residuo. Gli esperimenti che vengono effettuati ai laboratori del Gran Sasso utilizzano differenti materiali targhetta e sfruttano differenti approcci. Un approccio utilizzato è basato sullo studio della dipendenza temporale del segnale di Materia Oscura ed è noto come marcatura della modulazione annuale; questo approccio ha il vantaggio di essere indipendente dai modelli (ossia non necessita di alcuna ipotesi sulla natura e sull’interazione della Materia Oscura) e richiede che il segnale soddisfi molte caratteristiche peculiari tali da offrire una evidenza inequivocabile per la Materia Oscura. D’altra parte altri esperimenti seguono approcci nei quali occorre formulare ipotesi sulla natura dell’interazione della Materia Oscura. E’ questo il caso degli esperimenti che applicano procedure di reiezione della componente elettromagnetica del tasso di conteggio assumendo che il segnale di Materia Oscura sia costituito solo da rinculi nucleari.