Materia oscura e gravitoni: un prodotto extradimensionale?

La materia oscura, la sostanza sfuggente che rappresenta la maggior parte della massa nell’Universo, potrebbe essere composta da particelle massicce chiamate gravitoni che sono emerse per la prima volta nel primo momento dopo il Big Bang.

Secondo una nuova teoria queste ipotetiche particelle potrebbero essere rifugiati cosmici da dimensioni extra. I calcoli dei ricercatori suggeriscono che queste particelle potrebbero essere state create nelle giuste quantità per spiegare la materia oscura, che può essere “vista” solo attraverso la sua attrazione gravitazionale sulla materia ordinaria.

“I gravitoni sono prodotti dalle collisioni di particelle ordinarie nell’Universo primordiale. Si credeva che questo processo fosse troppo raro perché i gravitoni fossero candidati alla materia oscura“, ha detto a WordsSideKick.com il coautore dello studio Giacomo Cacciapaglia, fisico dell’Università di Lione in Francia.

Ma in un nuovo studio pubblicato a febbraio sulla rivista Physical Review Letters, Cacciapaglia, insieme ai fisici della Korea University Haiying Cai e Seung J. Lee, scrive di avere scoperto che, nell’Universo primordiale, sarebbe stata prodotta una quantità sufficiente di questi gravitoni per spiegare tutta la materia oscura che attualmente rileviamo nell’Universo.

I gravitoni, se esistessero, avrebbero una massa inferiore a 1 megaelettronvolt (MeV), quindi non più del doppio della massa di un elettrone, secondo lo studio.

Questo livello di massa è ben al di sotto della scala in cui il bosone di Higgs genera massa per la materia ordinaria, che è la chiave per il modello per produrne una quantità sufficiente per spiegare tutta la materia oscura nell’Universo (per confronto, la particella più leggera conosciuta, il neutrino, pesa meno di 2 elettronvolt, mentre un protone pesa circa 940 MeV, secondo il  National Institute of Standards and Technology).

Il team ha trovato questi ipotetici gravitoni mentre cercava prove di dimensioni extra, che alcuni fisici sospettano esistano insieme alle tre dimensioni osservate dello spazio e alla quarta dimensione, il tempo.

Nella teoria del team, quando la gravità si propaga attraverso dimensioni extra, si materializza nel nostro Universo in forma di gravitoni massicci e queste particelle interagirebbero solo debolmente con la materia ordinaria e solo attraverso la forza di gravità.

Questa descrizione è stranamente simile a ciò che sappiamo della materia oscura, che non interagisce con la luce ma ha un’influenza gravitazionale avvertita ovunque nell’Universo. Questa influenza gravitazionale, ad esempio, è ciò che tiene insieme le galassie.

“Il principale vantaggio dei gravitoni massicci come particelle di materia oscura è che interagiscono solo gravitazionalmente, quindi possono sfuggire ai tentativi di rilevare la loro presenza“, ha detto Cacciapaglia.

Al contrario, altri candidati alla materia oscura proposti, come particelle massicce, assioni e neutrini che interagiscono debolmente, potrebbero essere percepiti anche dalle loro interazioni molto sottili con altre forze e campi.

Il fatto che i gravitoni massicci interagiscano a malapena tramite la gravità con le altre particelle e forze nell’Universo offre un altro vantaggio.

“A causa delle loro interazioni molto deboli, decadono così lentamente da rimanere stabili per tutta la vita dell’Universo“, ha detto Cacciapaglia, “Per lo stesso motivo, si sono prodotti lentamente durante l’espansione dell’Universo e si sono accumulati fino ad oggi“.

In passato, i fisici pensavano che i gravitoni fossero improbabili candidati alla materia oscura perché i processi che li creano sono estremamente rari. Di conseguenza, i gravitoni verrebbero creati a velocità molto inferiori rispetto ad altre particelle.

Ma il team ha scoperto che nel primo picosecondo (trilionesimo di secondo) dopo il Big Bang , sarebbero stati creati più gravitoni di quanto suggerissero le teorie del passato. Questo miglioramento della produzione di gravitoni massicci è sufficiente per spiegare completamente la quantità di materia oscura che rileviamo nell’Universo, secondo lo studio.

“Il miglioramento è stato uno shock“, ha detto Cacciapaglia. “Abbiamo dovuto eseguire molti controlli per assicurarci che il risultato fosse corretto, poiché si traduce in un cambio di paradigma nel modo in cui consideriamo i gravitoni massicci come potenziali candidati alla materia oscura“.

Poiché i gravitoni massicci si formano al di sotto della scala energetica del bosone di Higgs sono liberati dalle incertezze relative alle scale energetiche più elevate, che l’attuale fisica delle particelle non descrive molto bene. La teoria del team collega la fisica studiata presso gli acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider con la fisica della gravità.

Ciò significa che potenti acceleratori di particelle come il Future Circular Collider del CERN, che dovrebbe iniziare a funzionare nel 2035, potrebbero cercare prove di queste potenziali particelle di materia oscura.

“Probabilmente la nostra migliore possibilità di trovarli sta nei futuri collisori di particelle ad alta precisione“, ha detto Cacciapaglia. “Questo è qualcosa su cui stiamo attualmente indagando“.