Le formule che descrivono il nuovo modello, fotografate sulla lavagna dell’Istituto di fisica teorica dell’Università di Magonza. Crediti: Michael Baker, Jgu
Instabilità, transizione di fase e temporanea rottura della simmetria. Questi gli ingredienti di una nuova teoria, sviluppata alla Johannes Gutenberg University di Magonza, in Germania, per tentare di spiegare l’origine della materia oscura. Senza dover ricorrere alle fantomatiche Wimp, le inafferrabili weakly interacting massive particles alle quali laboratori sotterranei di mezzo mondo stanno dando la caccia ormai da decenni senza successo. A firmarla, sulle pagine di Physical Review Letters, i fisici Michael Baker e Joachim Kopp, secondo i quali il nuovo meccanismo da essi proposto potrebbe essere collegato anche all’apparente squilibrio tra la materia e l’antimateria nel cosmo.
Il fondamento della nuova teoria è che la materia oscura, diversamente da quanto ritengono i modelli attuali, non sia un residuo cosmologico rimasto sostanzialmente inalterato sin dall’epoca del big bang, bensì abbia attraversato una fase d’instabilità. Un’instabilità che porterebbe a immagine l’esistenza di un nuovo “meccanismo” – nel senso del “meccanismo di Higgs”, dunque una nuova “particella” – in grado di spiegare la quantità di materia oscura che registriamo oggi nel cosmo.
La stabilità della materia oscura è di solito spiegata da un principio di simmetria. Nel loro lavoro, invece, Baker e Kopp dimostrano che l’universo potrebbe aver attraversato una fase durante la quale questa simmetria si sarebbe temporaneamente interrotta, consentendo alla materia oscura d’interagire con i fermioni carichi e di decadere, riducendosi così in quantità e raggiungendo i valori osservati oggi. Successivamente, durante la cosiddetta fase di transizione elettrodebole, la simmetria che stabilizza la materia oscura si sarebbe ristabilita, consentendole di continuare a esistere nell’universo fino ai giorni nostri.
Nel nuovo modello di materia oscura, il bosone di Higgs avrebbe proprietà diverse rispetto a quelle che ha nel modello standard della fisica delle particelle. La figura mostra l’energia del bosone di Higgs in funzione dei parametri del modello. Crediti: Michael Baker, Jgu
Trattandosi di processi che sarebbero avvenuti frazioni di secondo dopo il big bang, una domanda sorge spontanea: sarà mai possibile verificare sperimentalmente, o con osservazioni, questa nuova teoria? Lo abbiamo chiesto allo stesso Baker, primo autore dello studio. E la risposta è positiva: sì, si può tentare. «Il nostro modello», spiega a Media Inaf Baker, «prevede l’esistenza di nuove particelle. Particelle che, alterando il modo in cui il bosone di Higgs interagisce, potrebbero essere rilevate indirettamente. Per esempio, potrebbero introdurre alterazioni nel tasso di decadimento del bosone di Higgs in due fotoni. Un fenomeno che Lhc metterà alla prova nei prossimi anni».
«Un’altra caratteristica importante del modello», continua Baker, «è una forte transizione di fase nell’universo primordiale, che genererebbe onde gravitazionali. In questo momento stiamo proprio cercando di capire in che misura queste onde gravitazionali potrebbero essere rivelate dai futuri osservatori spaziali già in programma, come la missione Lisa».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Dark Matter Decay between Phase Transitions at the Weak Scale“, di Michael J. Baker e Joachim Kopp