La dimensione oscura in cui i fisici cercano la materia mancante dell’universo

Sebbene nessuna idea da sola possa spiegare tutto ciò che speriamo di sapere sul cosmo, un’idea introdotta due anni fa potrebbe rispondere ad alcune grandi domande. Chiamato scenario della dimensione oscura, offre una ricetta specifica per spiegare la materia oscura e suggerisce un’intima connessione tra materia oscura ed energia oscura

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Quando si tratta di comprendere la struttura dell’universo, la maggior parte di ciò che gli scienziati pensano esista è relegato in un dominio oscuro e aleatorio. La materia ordinaria, ciò che possiamo vedere e toccare, rappresenta solo il 5% di tutto ciò che c’è nel cosmo. Il resto, dicono i cosmologi, è energia oscura e materia oscura, sostanze misteriose etichettate come “oscure” in parte per riflettere la nostra ignoranza sulla loro vera natura.

Sebbene nessuna idea da sola possa spiegare tutto ciò che speriamo di sapere sul cosmo, un’idea introdotta due anni fa potrebbe rispondere ad alcune grandi domande. Chiamato scenario della dimensione oscura, offre una ricetta specifica per spiegare la materia oscura e suggerisce un’intima connessione tra materia oscura ed energia oscura. Lo scenario potrebbe anche dirci perché la gravità – che scolpisce l’universo su larga scala – è così debole rispetto alle altre forze.

Ricerca della dimensione oscura

Lo scenario propone una dimensione ancora invisibile che vive nel già complesso regno della teoria delle stringhe, che tenta di unificare la meccanica quantistica e la teoria della gravità di Einstein. Oltre alle quattro dimensioni familiari – tre dimensioni spaziali infinitamente grandi più una temporale – la teoria delle stringhe suggerisce che esistono sei dimensioni spaziali estremamente piccole.

Nell’universo della dimensione oscura, una di quelle dimensioni extra è significativamente più grande delle altre. Invece di essere 100 milioni di trilioni di volte più piccola del diametro di un protone, misura circa 1 micron di diametro: un minuto per gli standard quotidiani, ma enorme rispetto agli altri. All’interno di questa dimensione oscura vengono generate le enormi particelle che trasportano la forza gravitazionale e costituiscono la materia oscura che secondo gli scienziati comprende circa il 25% del nostro universo e forma la colla che tiene insieme le galassie (le stime attuali sostengono che il restante 70% sia costituito da energia oscura, che responsabile dell’espansione dell’universo).



Lo scenario “ci permette di creare collegamenti tra la teoria delle stringhe, la gravità quantistica, la fisica delle particelle e la cosmologia, affrontando alcuni dei misteri ad essi legati”, ha affermato Ignatios Antoniadis, un fisico dell’Università della Sorbona che sta attivamente indagando sulla proposta della dimensione oscura.

Sebbene non ci siano ancora prove dell’esistenza della dimensione oscura, lo scenario fornisce previsioni verificabili sia per le osservazioni cosmologiche che per la fisica teorica. Ciò significa che potremmo non dover aspettare molto per vedere se l’ipotesi resisterà all’esame empirico – o se sarà relegata nell’elenco delle idee allettanti che non hanno mai mantenuto la loro promessa originale.

La dimensione oscura qui immaginata”, ha detto il fisico Rajesh Gopakumar, direttore del Centro internazionale per le scienze teoriche di Bangalore, ha “il pregio di poter essere potenzialmente esclusa abbastanza facilmente man mano che i prossimi esperimenti diventeranno più acuti”.

Divinazione della dimensione oscura

La dimensione oscura è stata ispirata da un mistero di vecchia data riguardante la costante cosmologica, un termine, designato dalla lettera greca lambda, che Albert Einstein introdusse nelle sue equazioni di gravità nel 1917. Credendo in un universo statico, come molti dei suoi colleghi, Einstein aggiunse il termine per impedire alle equazioni di descrivere un universo in espansione. Ma negli anni ’20, gli astronomi scoprirono che l’universo si sta effettivamente dilatando, e nel 1998 le osservazioni certificarono che sta crescendo a un ritmo accelerato, spinto da quella che oggi viene comunemente chiamata energia oscura, che può anche essere indicata nelle equazioni con lambda.

introduzione

Da allora, gli scienziati hanno lottato con una caratteristica sorprendente di lambda: il suo valore stimato di 10−122 in unità di Planck è “il più piccolo parametro misurato in fisica”, ha affermato Cumrun Vafa, fisico dell’Università di Harvard. Nel 2022, considerando quella piccolezza quasi insondabile con due membri del suo gruppo di ricerca – Miguel Montero, ora all’Istituto di fisica teorica di Madrid, e Irene Valenzuela, attualmente al CERN – Vafa ha avuto un’intuizione: un valore di lambda così minuscolo è un parametro davvero estremo, il che significa che potrebbe essere considerato nel quadro del precedente lavoro di Vafa sulla teoria delle stringhe.

In precedenza, lui e altri avevano formulato una congettura che spiega cosa succede quando un parametro fisico importante assume un valore estremo. Chiamata congettura della distanza, si riferisce alla “distanza” in senso astratto: quando un parametro si sposta verso il limite remoto delle possibilità, assumendo così un valore estremo, ci saranno ripercussioni sugli altri parametri.

Pertanto, nelle equazioni della teoria delle stringhe, i valori chiave – come le masse delle particelle, il lambda o le costanti di accoppiamento che determinano la forza delle interazioni – non sono fissi. Modificarne uno influenzerà inevitabilmente anche gli altri.

Ad esempio, una lambda straordinariamente piccola, come è stato osservato, dovrebbe essere accompagnata da particelle molto più leggere, che interagiscono debolmente, con masse direttamente legate al valore di lambda. “Cosa potrebbero essere?” si chiese Vafa.

Mentre lui e i suoi colleghi riflettevano su questa domanda, si resero conto che la congettura della distanza e la teoria delle stringhe si combinavano per fornire un’ulteriore intuizione chiave: affinché queste particelle leggere appaiano quando lambda è quasi zero, una delle dimensioni extra della teoria delle stringhe deve essere significativamente più grande delle altre dimensioni.

Erano arrivati ​​alla dimensione oscura.

La Torre Oscura

Per comprendere la genesi delle particelle di luce dedotte, dobbiamo riavvolgere la storia cosmologica al primo microsecondo dopo il Big Bang. A quel tempo, il cosmo era dominato dalle radiazioni: fotoni e altre particelle che si muovevano quasi alla velocità della luce. Queste particelle sono già descritte dal Modello Standard della fisica delle particelle, ma nello scenario della dimensione oscura, una famiglia di particelle che non fanno parte del Modello Standard può emergere quando quelle familiari si scontrano.

Ogni tanto, queste particelle di radiazione si scontravano tra loro, creando quelli che chiamiamo ‘gravitoni oscuri’“, ha detto Georges Obied, un fisico dell’Università di Oxford che ha contribuito a elaborare la teoria dei gravitoni oscuri.

Normalmente i fisici definiscono i gravitoni come particelle prive di massa che viaggiano alla velocità della luce e trasmettono la forza gravitazionale, in modo simile ai fotoni privi di massa che trasmettono la forza elettromagnetica. Ma in questo scenario, come ha spiegato Obied, queste prime collisioni hanno creato un diverso tipo di gravitone: qualcosa dotato di massa. Inoltre, hanno prodotto una gamma di gravitoni diversi.

Esiste un gravitone senza massa, che è il solito gravitone che conosciamo“, ha detto Obied. “E poi ci sono infinite copie di gravitoni oscuri, tutte massicce“. Le masse dei presunti gravitoni oscuri sono, grosso modo, un numero intero per una costante, M, il cui valore è legato alla costante cosmologica. E ce n’è un’intera “torre” con un’ampia gamma di masse e livelli di energia.

Per avere un’idea di come tutto ciò potrebbe funzionare, immagina il nostro mondo quadridimensionale come la superficie di una sfera. Non possiamo lasciare quella superficie, mai – nel bene e nel male – e questo vale anche per ogni particella del Modello Standard.

I gravitoni, però, possono andare ovunque, per lo stesso motivo per cui la gravità esiste ovunque. Ed è qui che entra in gioco la dimensione oscura.

Per immaginare quella dimensione, ha detto Vafa, pensa a ogni punto sulla superficie immaginata del nostro mondo quadridimensionale e attaccagli un piccolo anello. Quel ciclo è (almeno schematicamente) la dimensione extra. Se due particelle del Modello Standard si scontrano e creano un gravitone, il gravitone “può penetrare in quel cerchio extra-dimensionale e viaggiare attorno ad esso come un’onda”, ha detto Vafa (la meccanica quantistica ci dice che ogni particella, inclusi gravitoni e fotoni, può comportarsi sia come una particella che come un’onda: un concetto vecchio di 100 anni noto come dualità onda-particella).

dimensione oscura - il campo profondo di hubble

Quando i gravitoni si diffondono nella dimensione oscura, le onde che producono possono avere frequenze diverse, ciascuna corrispondente a diversi livelli di energia. E questi gravitoni massicci, viaggiando attorno al circuito extradimensionale, producono un’influenza gravitazionale significativa nel punto in cui il circuito si attacca alla sfera.

Forse è questa la materia oscura?” Si è domandato Vafa. Dopotutto, i gravitoni che avevano inventato interagivano debolmente ma erano in grado di raccogliere un certo peso gravitazionale. Un merito dell’idea, ha osservato, è che i gravitoni fanno parte della fisica da 90 anni, essendo stati inizialmente proposti come portatori della forza gravitazionale (i gravitoni, va notato, sono particelle ipotetiche e non sono state rilevate direttamente). Per spiegare la materia oscura, “non dobbiamo introdurre una nuova particella“, ha detto.

I gravitoni che possono penetrare nel dominio extra-dimensionale sono “candidati naturali per la materia oscura”, ha affermato Georgi Dvali, direttore del Max Planck Institute for Physics, che non sta lavorando direttamente sull’idea della dimensione oscura.

Una dimensione grande come l’ipotizzata dimensione oscura avrebbe spazio per grandi lunghezze d’onda, che implicano particelle a bassa frequenza, a bassa energia e a bassa massa. Ma se un gravitone oscuro penetrasse in una delle minuscole dimensioni della teoria delle stringhe, la sua lunghezza d’onda sarebbe estremamente corta e la sua massa ed energia molto elevate. Particelle supermassicce come questa sarebbero instabili e di vita molto breve. Esse “sarebbero estinte da tempo”, ha detto Dvali, “senza avere la possibilità di servire come materia oscura nell’universo attuale”.

La gravità e il suo portatore, il gravitone, permea tutte le dimensioni della teoria delle stringhe. Ma la dimensione oscura è così tanto più grande – di molti ordini di grandezza – rispetto alle altre dimensioni extra che la forza di gravità verrebbe diluita, che apparirebbe debole nel nostro mondo quadridimensionale, se filtrasse apprezzabilmente nella dimensione oscura più spaziosa. “Questo spiega la straordinaria differenza [di forza] tra la gravità e le altre forze“, ha detto Dvali, sottolineando che questo stesso effetto sarebbe stato visto in altri scenari extra-dimensionali.

Dato che lo scenario della dimensione oscura può prevedere cose come la materia oscura, può essere sottoposto a un test empirico. “Se ti do una correlazione che non potrai mai verificare, non potrai mai dimostrare che ho torto“, ha detto Valenzuela, coautore dell’articolo originale sulla dimensione oscura. “È molto più interessante prevedere qualcosa che puoi effettivamente dimostrare o confutare“.

Enigmi dell’oscurità

Gli astronomi sanno che la materia oscura esiste – almeno in qualche forma – dal 1978, quando l’astronoma Vera Rubin stabilì che le galassie ruotano così velocemente che le stelle sui loro margini più esterni verrebbero proiettate in lontananza se non fosse per vasti serbatoi di sostanze invisibili che le trattiene. Identificare quella sostanza, tuttavia, si è rivelato molto difficile. Nonostante quasi 40 anni di sforzi sperimentali per individuare la materia oscura, nessuna particella del genere è stata trovata.

Se si scoprirà che la materia oscura è costituita da gravitoni oscuri, che interagiscono in modo estremamente debole, ha detto Vafa, ciò non cambierà. “Non verranno mai osservati direttamente“.

Ma potrebbero esserci opportunità per individuare indirettamente le firme di quei gravitoni.

Una strategia che Vafa e i suoi collaboratori stanno perseguendo si basa su indagini cosmologiche su larga scala che tracciano la distribuzione delle galassie e della materia. In quelle distribuzioni, potrebbero esserci “piccole differenze nel comportamento dei cluster”, ha detto Obied, che segnalerebbero la presenza di gravitoni oscuri.

Quando i gravitoni oscuri più pesanti decadono, producono una coppia di gravitoni oscuri più leggeri con una massa combinata leggermente inferiore a quella della particella madre. La massa mancante viene convertita in energia cinetica (in linea con la formula di Einstein, E = mc 2), che dà ai gravitoni appena creati una piccola spinta: una “velocità di spinta” che si stima sia circa un decimillesimo della velocità della luce.

Queste velocità di spinta, a loro volta, potrebbero influenzare il modo in cui si formano le galassie. Secondo il modello cosmologico standard, le galassie iniziano con un ammasso di materia la cui attrazione gravitazionale attrae più materia. Ma i gravitoni dotati di una velocità sufficiente possono sfuggire a questa presa gravitazionale. Se lo faranno, la galassia risultante sarà leggermente meno massiccia di quanto previsto dal modello cosmologico standard. Gli astronomi possono cercare questa differenza.

Nel frattempo, i fisici stanno anche progettando di testare l’idea della dimensione oscura in laboratorio. Se la gravità si diffonde in una dimensione oscura che misura 1 micron di diametro, in linea di principio si potrebbe cercare qualsiasi deviazione dalla forza gravitazionale prevista tra due oggetti separati dalla stessa distanza. Non è un esperimento facile da realizzare, ha detto Armin Shayeghi, fisico dell’Accademia austriaca delle scienze che sta conducendo il test. Ma “c’è una ragione semplice per cui dobbiamo fare questo esperimento“, ha aggiunto: non sapremo come si comporta la gravità a distanze così ravvicinate finché non lo vedremo.

La misurazione più vicina fino ad oggi, effettuata nel 2020 presso l’Università di Washington, ha comportato una separazione di 52 micron tra due corpi di prova. Il gruppo austriaco spera di raggiungere alla fine la portata di 1 micron prevista per la dimensione oscura.

Mentre i fisici trovano intrigante la proposta della dimensione oscura, alcuni sono scettici sul fatto che funzionerà. “Cercare dimensioni extra attraverso esperimenti più precisi è una cosa molto interessante da fare“, ha detto Juan Maldacena, fisico dell’Institute for Advanced Study, “anche se penso che la probabilità di trovarle sia bassa“.

Joseph Conlon, fisico di Oxford, condivide questo scetticismo: “Ci sono molte idee che sarebbero importanti se vere, ma probabilmente non lo sono. Questa è una di quelle. Le congetture su cui si basa sono alquanto ambiziose, e penso che le prove attuali a sostegno di esse siano piuttosto deboli”.

Naturalmente, il peso delle prove può cambiare, ed è per questo motivo che si fanno esperimenti. La proposta della dimensione oscura, se supportata dai prossimi test, ha il potenziale per avvicinarci alla comprensione di cos’è la materia oscura, come è collegata sia all’energia oscura che alla gravità, e perché la gravità appare debole rispetto alle altre forze conosciute. “I teorici cercano sempre di ‘mettere insieme’. La dimensione oscura è una delle idee più promettenti che ho sentito in questa direzione”, ha detto Gopakumar.

Ma ironicamente, l’unica cosa che l’ipotesi della dimensione oscura non può spiegare è perché la costante cosmologica è così incredibilmente piccola – un fatto sconcertante che essenzialmente ha dato inizio a tutta questa linea di indagine. “È vero che questo programma non spiega questo fatto“, ha ammesso Vafa. “Ma quello che possiamo dire, attingendo a questo scenario, è che se lambda è piccola – e si spiegano le conseguenze di ciò – tutta una serie di cose sorprendenti potrebbero accadere”.

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