I neutrini sterili e la ricerca della materia oscura calda

Matteo Viel, ricercatore presso l'Institute of Astronomy di Cambridge, in Inghilterra, ritiene che la fisica delle particelle e la cosmologia potrebbero essere più compatibili man mano che gli scienziati lavorano per comprendere le origini e la natura del nostro universo

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Matteo Viel, ricercatore presso l’Institute of Astronomy di Cambridge, in Inghilterra, ritiene che la fisica delle particelle e la cosmologia potrebbero apparirci più compatibili man mano che comprendiamo le origini e la natura del nostro universo.

Insiene ad un team internazionale con ricercatori francesi e italiani, nonché un teorico del CERN in Svizzera, Viel ha prodotto un documento che potrebbe fare proprio questo. Si intitola “I neutrini sterili possono essere esclusi come candidati della materia oscura calda?” e affronta la possibilità di una visione meno standard dell’universo. Il documento è stato pubblicato su Physical Review Letters.

L’opinione più diffusa è che la materia oscura sia per lo più fredda

“Sappiamo che la materia oscura è uno dei principali costituenti del nostro universo”, ha affermato Viel“L’opinione più diffusa è che questa materia oscura sia per lo più fredda. E mentre alcune cose possono essere spiegate dalla materia oscura fredda, ci sono alcune cose, specialmente su scala più piccola, che sono spiegate meglio da un predominio della materia oscura calda. Cose, spiega la Lettera, come il calcio di velocità della pulsar, la re-ionizzazione dell’universo ad un alto redshift. La materia oscura calda, sotto forma di neutrini sterili, potrebbe persino aiutare con le teorie della grande unificazione nella fisica delle particelle”.

Viel e i suoi colleghi hanno studiato un sottoinsieme di dati presi dallo Sloan Digital Sky Survey (SDSS) per trovare differenze nella materia oscura calda e fredda. Il sottoinsieme includeva quasar che mostrano gli assorbimenti dei fotoni emessi da una sorgente lontana dall’idrogeno neutro interposto che popola le strutture intergalattiche. 

Utilizzando i dati SDSS, Viel e i suoi colleghi hanno utilizzato computer per modellare diversi scenari utilizzando materia oscura calda e fredda per avere un’idea di come potrebbero essere gli oggetti in un universo in formazione.



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Due figure mostrano come le strutture intergalattiche ad alto redshift appaiono nei modelli di materia oscura fredda (a sinistra) e di materia oscura calda (a destra). La dimensione della regione simulata corrisponde a 3,3 milioni di anni luce. Nei modelli di materia oscura calda, le strutture sono più diffuse.

Neutrini sterili e neutrini attivi

“Tra tutte le particelle calde di materia oscura ci sono i neutrini. I neutrini sono di due tipi: attivi e sterili. Quantifichiamo l’impatto dei neutrini sterili sulle strutture intergalattiche quando l’universo aveva circa il 10% della sua età attuale”, sostiene Viel.

Il problema, però, arriva nel fatto che un gruppo in Ohio, usando dati osservativi, ha scoperto un limite superiore della massa del neutrino che è più piccolo del limite inferiore di Viel e del suo gruppo. Ciò significa che i risultati sono incompatibili. Quindi, questo risultato esclude i neutrini sterili come candidati per la materia oscura calda? “Sì e no”, afferma Viel.

In uno scenario standard di produzione di neutrini, c’è simmetria leptonica. In un tale universo, i neutrini sterili non potrebbero essere candidati alla materia oscura. Ma Viel e il suo team hanno esplorato alcune nuove possibilità, inclusa la simmetria leptonica, e hanno scoperto che i neutrini sterili sono ancora buoni candidati per la materia oscura calda. “Ciò di cui abbiamo bisogno ora”, dice, “sono ulteriori parametri – vincoli più stretti – da studiare”.

È qui che una combinazione di fisica delle particelle e cosmologia potrebbe davvero aiutare. “Questo è davvero un lavoro che si trova tra la fisica delle particelle e la cosmologia”, spiega. Raccogliendo dati a risoluzione più elevata sulle strutture intergalattiche, si potrebbero sviluppare vincoli migliori per gli esperimenti di fisica delle particelle in laboratorio. “Se riuscissimo a trovare vincoli migliori, la comunità dei fisici potrebbe adattare gli esperimenti in quegli intervalli che i cosmologi hanno trovato. È importante che queste comunità interagiscano, portino dati e condividano modelli dell’universo”.

“Ci sono un numero infinito di conseguenze nello sviluppo dell’universo, a seconda della materia oscura calda o fredda“, afferma Viel“Se potessimo ottenere vincoli più stretti anche su una proprietà dei neutrini sterili, attraverso alcuni esperimenti di rilevamento diretto o mediante osservazione, sarebbe un enorme miglioramento della nostra comprensione dell’universo”.

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