Secondo un nuovo articolo, l’espansione accelerata dell’universo potrebbe essere guidata da una misteriosa forma di materia chiamata “nonparticelle”, che non obbedisce al Modello Standard della fisica delle particelle.
La comunità scientifica riconosce ampiamente che l’universo si sta espandendo, anche se la causa di tale espansione rimane sfuggente. Tra le spiegazioni proposte, la più accettata riguarda un’entità misteriosa chiamata energia oscura che viene considerata come una costante cosmologica, che porta l’universo ad espandersi ad un ritmo indipendente dall’età dell’universo e dalla temperatura della materia e della radiazione. Tuttavia, recenti osservazioni astronomiche mettono in discussione questa ipotesi, spingendo i fisici a esplorare alternative a ciò che potrebbe essere l’energia oscura.
Ora, in un nuovo articolo, i ricercatori hanno analizzato l’idea che l’energia oscura sia invece costituita da una forma teorica di materia chiamata nonparticelle. Hanno scoperto che questa teoria si allinea meglio con le osservazioni rispetto al modello cosmologico standard prevalente, che necessita di una costante cosmologica.
“Dall’osservazione, sorgono discrepanze nei valori del tasso di espansione dell’universo e nella crescita di strutture su larga scala [galassie e ammassi galattici] tra le misurazioni“, ha detto a WordsSideKick.com il coautore dello studio Utkarsh Kumar, un cosmologo dell’Università di Ariel. “Varie osservazioni, comprese le misurazioni del fondo cosmico a microonde, l’oscuramento delle supernovae e molte altre, contribuiscono a queste discrepanze“.
Grandezze come la costante di Hubble, che determina la velocità di espansione, e la cosiddetta S8, che contiene informazioni sulla formazione di strutture su larga scala, non possono essere misurate direttamente. Invece, vengono ricavate dalle osservazioni del fondo cosmico a microonde (la radiazione residua del Big Bang) e di stelle e galassie distanti, utilizzando teorie matematiche. Tuttavia, le diverse metodologie producono valori diversi di questi parametri dagli stessi dati, creando quella che viene definita tensione cosmologica.
Per affrontare questo problema, gli autori del nuovo studio, pubblicato nel dicembre 2023 sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, suggeriscono che l’espansione dell’universo sia guidata non da una costante cosmologica determinata dalla fantomatica energia oscura ma da nonparticelle, che erano state precedentemente considerate nella teoria delle particelle elementari nel contesto della fisica delle particelle.
“L’idea delle nonparticelle è stata introdotta dal fisico teorico Howard Georgi oltre un decennio fa“, spiega l’autore principale dello studio Ido Ben-Dayan, anch’egli della Ariel University. “Nella fisica fondamentale, di solito discutiamo di campi, come il campo elettrico, dove le particelle sono eccitazioni di quel campo. Nel caso del campo elettrico, questi sono i fotoni, o pacchetti di luce”. In quasi tutti i casi, aggiunge Ben-Dayan, le particelle sono eccitazioni con massa e quantità di moto ben definite.
Tuttavia, “le nonparticelle sono il risultato di un insieme di campi le cui eccitazioni non hanno una quantità di moto e una massa ben definite“, ha detto Ben-Dayan. “Quindi, a livello macroscopico, si comportano come un fluido. Una conseguenza speciale di questa proprietà è che la loro equazione di stato, che descrive il rapporto tra la pressione che esercitano e la loro densità di energia, dipende dalla temperatura“.
Questa equazione di stato assomiglia molto all’equazione della costante cosmologica. Inoltre, l’interazione molto debole delle nonparticelle con la materia “normale”, prevista da tutti i modelli teorici sviluppati sulla sostanza, la rende un ottimo candidato per l’energia oscura.
Nonparticelle come ipotesi
Nel loro lavoro, Ben-Dayan e Kumar hanno utilizzato l’ipotesi delle nonparticelle invece della costante cosmologica e l’hanno combinata con i dati osservativi raccolti da molti esperimenti. Hanno scoperto che, utilizzando la teoria delle nonparticelle, a differenza dei valori calcolati utilizzando il modello cosmologico standard, i valori della costante di Hubble e del parametro S8 dedotti da questi esperimenti sono coerenti tra loro quando.
“Il modello ha ridotto la discrepanza tra le misurazioni della costante di Hubble e S8, ripristinando così l’accordo tra le diverse misurazioni”, ha affermato Kumar.
Per ora non ci sono prove empiriche a sostegno di questa teoria. Tuttavia, gli autori sono fiduciosi che, nel prossimo decennio, la precisione delle misurazioni astronomiche migliorerà abbastanza da determinare se la teoria delle nonparticelle è corretta.
“Il nostro modello può essere testato migliorando costantemente le osservazioni cosmologiche“, ha detto Ben-Dayan. “Se è corretto, i futuri esperimenti sul fondo cosmico a microonde dovrebbero [confermarlo]“.
Gli esperimenti per misurare la natura dell’energia oscura sono attualmente in fase di sviluppo, ma richiederanno ai telescopi di “sondare più indietro nel tempo” di quanto non facciano attualmente, ha aggiunto Ben-Dayan.
I fisici, inoltre, intendono aumentare la precisione dei loro calcoli e cercare possibili manifestazioni di nonparticelle utilizzando gli acceleratori.
“Abbiamo intenzione di considerare le interazioni tra le nonparticelle e il Modello Standard delle particelle elementari“, ha detto Kumar. “Questo può testare ulteriormente il nostro modello. Studieremo inoltre alcune estensioni del nostro modello e le loro conseguenze cosmologiche“.
