L’origine della materia oscura, un nuovo studio

L'universo si è sviluppato in seguito alla rottura della simmetria tra materia e antimateria che ha portato la prima a prevalere a discapito della seconda e a un evento misterioso che ha favorito l'origine della materia oscura

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Perché nell’universo esiste qualcosa invece che niente? Questo è un mistero che fisici e cosmologi non hanno ancora risolto.

Da dove viene la materia che compone le strutture dell’universo? Quel è l’origine della materia oscura che sembra permeare il cosmo? Per quanto ne sappiamo, materia e antimateria dovrebbero formarsi in egual misura e possedendo carica opposta si trasformano in energia senza lasciare nessuna traccia. Come mai una parte della materia non è scomparsa nel processo di annichilazione?


Secondo un nuovo studio, un misterioso meccanismo avrebbe prodotto un eccesso di materia rispetto all’antimateria, portando allo squilibrio che ha permesso anche la nostra esistenza. 

Quello squilibrio avrebbe permesso l’origine della materia oscura, quella sostanza misteriosa che interagisce con la materia ordinaria attraverso la forza di gravità ma non è influenzata in nessun modo dalla luce.

Non sappiamo quale meccanismo abbia permesso l’origine della materia oscura, ma sappiamo che nell’universo qualcosa di sconosciuto interagisce gravitazionalmente con gli ammassi di galassie. Quel qualcosa che abbiamo chiamato materia oscura rappresenta circa l’80% di tutta la materia presente nell’universo, superando di gran lunga la massa di tutta tutte le strutture a noi accessibili. 

La materia oscura pur rappresentando la maggior parte della massa dell’universo non è comunque un fattore dominante. In fisica, quando un processo domina un’interazione, prende il sopravvento. A meno che non entrino in gioco altri aspetti fisici, raramente due forze in competizione risultano in equilibrio.

Ad esempio, quando gravità ed elettromagnetismo si scontrano all’interno di una stella gigante, alla fine la gravità vince sempre e la stella collassa. Quindi il fatto che la materia oscura rappresenti l’80% della massa dell’universo – e non il 99,99999% – e la materia normale ne rappresenti il restante 20% rispetto a zero, ai fisici sembra strano. 

Il problema diventa ancora più grave in quanto, per quanto ne sappiamo, l’origine della materia oscura può non dipendere dalla materia ordinaria. Non sappiamo quale processo abbia prodotto la materia oscura, ma di qualunque processo si tratti, attualmente è fuori dalla nostra comprensione.

Anche la presenza della materia ordinaria è un rompicapo per i fisici. Quando l’universo aveva un secondo di vita, secondo le teorie accettate, la materia e l’antimateria si trovavano in perfetto equilibrio. La teoria è suffragata dagli esperimenti con i collisori di particelle, dove la simmetria tra materia e antimateria viene sempre rispettata.

In seguito, probabilmente quando l’universo non aveva compiuto il suo primo minuto di vita, la simmetria tra materia e antimateria è venuta meno, l’annichilazione ha lasciato nell’universo una piccola parte di materia che è sopravvissuta alla distruzione evitando l’abbraccio dell’antimateria che invece è sparita del tutto.

L’origine della materia oscura e la rottura della simmetria

L’universo si è sviluppato in seguito alla rottura della simmetria tra materia e antimateria che ha portato la prima a prevalere a discapito della seconda e a un evento misterioso che ha favorito l’origine della materia oscura.

Secondo il nuovo studio i due processi sono collegati e l’origine della materia oscura e legata a quella piccola quantità di materia che non si è trasformata in energia durante il processo di annichilazione con l’antimateria.

Nello studio, pubblicato il 29 dicembre 2020 nel database di prestampa arXiv e non ancora sottoposto a peer review, i ricercatori avanzano questa affermazione affidandosi alla simmetria dei numeri barionici. I barioni sono le particelle fatte di quark (come protoni e neutroni).  

La simmetria afferma semplicemente che il numero di barioni che entrano in un’interazione deve essere uguale al numero che ne esce. (È consentito cambiare identità, ma il numero totale deve essere lo stesso). La stessa simmetria vale per le reazioni che coinvolgono gli antiquark.

Questa simmetria è osservata nell’universo odierno e in tutti gli esperimenti di laboratorio, ma deve essere venuta meno nel cosmo primordiale – è così, grazie alla piccola quantità di materia sopravvissuta che è nato l’universo come lo conosciamo.

In fisica, ogni volta che una simmetria della natura viene violata, un nuovo tipo di particella, noto come “bosone di Goldstone”, appare per imporre la rottura della simmetria. (Nell’universo moderno, ad esempio, il pione è una specie di bosone di Goldstone che appare quando si rompe una simmetria della forza nucleare forte).

Il nuovo studio propone che l’origine della materia oscura è stata causata dalla rottura di simmetria ed è composta da bosoni di Goldstone.

Negli esperimenti non viene mai osservata la violazione della simmetria dei numeri barionici, ma qualcosa di particolare deve essere accaduto nell’universo primordiale. Forse un evento violento ma di breve durata ha spazzato via l’antimateria. In queste condizioni la simmetria dei numeri barionici deve essersi rotta con la comparsa di un nuovo bosone di Goldstone.

In questo singolare evento l’universo è stato inondato di particelle di materia oscura. In seguito, le condizioni che hanno portato alla rottura della simmetria sono venute meno e l’universo è tornato alla normalità. Ecco come lo studio si propone di spiegare l’origine della materia oscura.

Questo processo spiega perché la materia oscura non sia assolutamente predominante rispetto alla materia e che sia in correlazione con essa. Lo studio non prevede perché materia oscura e materia ordinaria compaiano nelle percentuali osservate, ma suggerisce che il rapporto sia alla base della loro origine comune.