Individuata una violazione di simmetria nell’universo primordiale

La simmetria è un’idea ordinata e attraente che cade a pezzi nel nostro universo disordinato e da tempo sappiamo che è stato necessario un qualche tipo di violazione della simmetria per spiegare perché nell’universo c’è più materia che antimateria.

Ma individuare la fonte dietro questa violazione della simmetria, anche trovarne la prova, è stato impossibile.

Eppure in un nuovo articolo pubblicato su Monthly Notice of Royal Astronomical Society, gli astronomi dell’Università della Florida hanno trovato la prima prova di questa necessaria violazione della simmetria al momento della creazione. Gli scienziati dell’UF hanno studiato un enorme milione di trilioni di quadruple galattiche tridimensionali nell’universo e hanno scoperto che l’universo a un certo punto preferiva un insieme di forme rispetto alle loro immagini speculari.

Questa idea, nota come violazione della simmetria di parità, indica un periodo infinitesimale nella storia del nostro universo in cui le leggi della fisica erano diverse da quelle odierne, con enormi conseguenze per l’evoluzione dell’universo.

La scoperta, stabilita con un alto livello di confidenza statistica, ha due conseguenze principali. In primo luogo, questa violazione della parità potrebbe essersi impressa sulle future galassie solo durante il periodo di estrema inflazione nei primi istanti dell’universo, confermando una componente centrale della teoria del Big Bang sull’origine del cosmo.

La violazione della parità aiuterebbe anche a rispondere forse alla domanda più cruciale in cosmologia: perché c’è qualcosa invece di niente? Questo perché la violazione della parità è necessaria per spiegare perché c’è più materia che antimateria, una condizione essenziale affinché galassie, stelle, pianeti e vita esistano nel modo in cui si sono formate.

“Sono sempre stato interessato alle grandi domande sull’universo. Qual è l’inizio dell’universo? Quali sono le regole in base alle quali si evolve? Perché c’è qualcosa piuttosto che niente?” ha detto Zachary Slepian, professore di astronomia UF che ha supervisionato il nuovo studio. “Questo lavoro affronta queste grandi domande“.

Slepian ha lavorato con il ricercatore post-dottorato UF e iprimo autore dello studio, Jiamin Hou, e il fisico del Lawrence Berkeley National Laboratory Robert Cahn per condurre l’analisi. Il trio ha pubblicato le proprie scoperte il 22 maggio sulla rivista Monthly Notice della Royal Astronomical Society. Gli stessi ricercatori hanno proposto per primi l’idea di ricercare la violazione della parità usando quadruple di galassie in un articolo che è stato anche recentemente pubblicato su Physical Review Letters.

La simmetria di parità è l’idea che le leggi fisiche non dovrebbero preferire una forma alla sua immagine speculare. Gli scienziati di solito usano il linguaggio della “manualità” per descrivere questo tratto, perché le nostre mani sinistra e destra sono immagini speculari con cui tutti abbiamo familiarità. Non c’è modo di ruotare la tua mano sinistra in tre dimensioni per farla sembrare la tua mano destra, il che significa che sono sempre distinguibili l’una dall’altra.

La violazione della parità significa che l’universo ha una preferenza per le forme mancine o destrorse. Per scoprire la manualità dell’universo, il laboratorio di Slepian ha immaginato tutte le possibili combinazioni di quattro galassie collegate da linee immaginarie nello spazio. Questo crea un oggetto 3D chiamato tetraedro, una specie di piramide sbilenca, la forma più semplice che ha un’immagine speculare. Hanno definito i tetraedri galattici destrimani e mancini in base a come le galassie erano collegate ai loro partner più vicini e più lontani in queste forme immaginarie.

Il loro metodo ha richiesto l’analisi di un trilione di tetraedri immaginari per ciascuna di un milione di galassie, un numero sbalorditivo di combinazioni. “Alla fine ci siamo resi conto che avevamo bisogno di nuova matematica“, ha detto Slepian.

Così il team di Slepian ha sviluppato sofisticate formule matematiche che hanno permesso di eseguire gli immensi calcoli in un periodo ragionevole, richiedendo, però, ancora una notevole quantità di potenza di calcolo. “La tecnologia unica di UF che abbiamo qui con il supercomputer HiPerGator ci ha permesso di eseguire l’analisi migliaia di volte con impostazioni diverse per testare il nostro risultato“, ha spiegato.

Gli aspetti tecnici dell’analisi rendono difficile dire se l’universo preferisca forme “destrimane” o “mancine”, ma gli scienziati hanno visto prove evidenti che il cosmo ha una preferenza. Hanno stabilito la loro scoperta con un grado di certezza noto come sette sigma, una misura di quanto sia improbabile ottenere il risultato basandosi solo sul caso. In fisica, un risultato con un valore sigma di cinque o superiore è generalmente considerato affidabile perché le probabilità di un risultato casuale a questo livello sono incredibilmente piccole. Un’analisi simile, condotta da un ex membro del laboratorio Slepian, ha identificato la stessa preferenza di forma universale, anche se con una confidenza statistica leggermente inferiore a causa delle differenze nel disegno dello studio.

Sebbene gli scienziati siano fiduciosi in questo segnale di violazione della parità, rimane possibile che l’incertezza nelle misurazioni sottostanti possa spiegare l’asimmetria. Per fortuna, campioni molto più grandi di galassie dai telescopi di prossima generazione potrebbero fornire dati sufficienti per cancellare queste incertezze in pochi anni. Il gruppo di Slepian all’UF eseguirà le proprie analisi su questi nuovi dati più robusti come parte del team del telescopio Dark Energy Spectroscopic Instrument.

Questa non è la prima volta che viene individuata una violazione della parità, ma è la prima prova di violazione della parità che potrebbe influenzare l’aggregazione tridimensionale delle galassie nell’universo. Anche una delle forze fondamentali, la forza debole, viola la parità. Ma la sua portata è estremamente limitata e non può influenzare la scala delle galassie. Quell’influenza galattica richiede che si verifichi una violazione della parità proprio al momento del Big Bang, un periodo noto come inflazione.

“Poiché la violazione della parità può essere impressa nell’universo solo durante l’inflazione, se ciò che abbiamo scoperto è vero, fornisce una prova schiacciante dell’inflazione“, ha detto Slepian.

Né la violazione della parità della forza debole potrebbe spiegare l’abbondanza della materia. In un universo simmetrico, il Big Bang avrebbe dovuto creare quantità uguali di materia e antimateria, che si sarebbero annichilite a vicenda e avrebbero lasciato l’universo privo di stelle e pianeti. Dal momento che ci siamo chiaramente ritrovati con un universo fatto principalmente di materia, i fisici hanno cercato a lungo qualche segno di asimmetria nella creazione iniziale.

I risultati del laboratorio di Slepian non possono ancora spiegare come siamo arrivati ​​a questa cruciale abbondanza di materia. Il “come” richiederà una nuova fisica che vada oltre il Modello Standard, che spiega il nostro attuale universo. Ma i nuovi risultati suggeriscono fortemente che ci sia stata un’asimmetria nei primi momenti del Big Bang.

Ora è iniziata la gara tra gli scienziati per produrre una teoria che possa spiegare la preferenza dell’immagine speculare dell’universo e l’eccesso di materia.