Stringhe cosmiche: potrebbero essere rilevabili grazie alle onde gravitazionali

Secondo la teoria del Big Bang della cosmologia moderna, la materia è stata creata con una quantità uguale di antimateria. Se fosse rimasto così, materia e antimateria avrebbero dovuto finalmente incontrarsi e annientarsi uno contro uno, lasciando un universo vuoto. È probabile che una tale transizione di fase conduca a una rete di oggetti simili a "elastici" chiamati stringhe cosmiche, che produrrebbero le increspature dello spazio-tempo note come onde gravitazionali

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Stringhe cosmiche: potrebbero essere rilevabili grazie alle onde gravitazionali
Stringhe cosmiche: potrebbero essere rilevabili grazie alle onde gravitazionali

Le increspature dello spaziotempo chiamate onde gravitazionali potrebbero contenere prove per dimostrare la teoria secondo cui l’universo come lo conosciamo è emerso dal Big Bang a causa di una transizione di fase che ha permesso alle particelle di neutrino di rimescolare materia e antimateria, spiega un nuovo studio di un team internazionale di ricercatori.

Come siamo stati salvati da un completo annientamento non è una questione di fantascienza o di un film di Hollywood. Secondo la teoria del Big Bang della cosmologia moderna, la materia è stata creata con una quantità uguale di antimateria. Se fosse rimasto così, materia e antimateria avrebbero dovuto finalmente incontrarsi e annientarsi uno contro uno, portando a un completo annientamento.

Ma la nostra esistenza contraddice questa teoria. Per superare un completo annientamento, l’Universo deve aver trasformato una piccola quantità di antimateria in materia creando uno squilibrio tra di loro. Lo squilibrio necessario è solo una parte su un miliardo. Ma è rimasto un mistero completo quando e come si è creato lo squilibrio.

L’Universo diventa opaco alla luce quando guardiamo indietro a circa un milione di anni dopo la sua nascita. Questo pone la domanda fondamentale del “perché siamo qui?” difficile rispondere“, afferma il coautore dell’articolo Jeff Dror, borsista post-dottorato dell’Università della California, Berkeley, e ricercatore di fisica presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.

Poiché materia e antimateria hanno cariche elettriche opposte, non possono trasformarsi l’una nell’altra, a meno che non diventino elettricamente neutre. I neutrini sono le uniche particelle di materia elettricamente neutre che conosciamo e sono i più forti contendenti per svolgere questo lavoro. Una teoria supportata da molti ricercatori è che l’Universo abbia attraversato una transizione di fase in modo che i neutrini potessero rimescolare materia e antimateria.



L’inflazione ha allungato l’Universo microscopico iniziale a una dimensione macroscopica e ha trasformato l’energia cosmica in materia. Tuttavia, probabilmente ha creato una quantità uguale di materia e antimateria prevedendo il completo annientamento del nostro universo. 

Onde gravitazionali come eco delle stringhe cosmiche

Gli autori discutono la possibilità che una transizione di fase dopo l’inflazione abbia portato a un piccolo squilibrio tra la quantità di materia e antimateria, in modo che parte della materia potesse sopravvivere a un annientamento quasi completo. È probabile che una tale transizione di fase conduca a una rete di oggetti simili a “elastici” chiamati stringhe cosmiche, che produrrebbero le increspature dello spazio-tempo note come onde gravitazionali. 

Queste onde che si propagano hanno attraversato l’universo caldo e denso per raggiungerci oggi, 13,8 miliardi di anni dopo la transizione di fase. Tali onde gravitazionali possono molto probabilmente essere scoperte da esperimenti attuali e futuri.

Una transizione di fase è come far bollire l’acqua in vapore o raffreddare l’acqua in ghiaccio. Il comportamento della materia cambia a temperature specifiche chiamate temperatura critica. Quando un certo metallo viene raffreddato a bassa temperatura, perde completamente la resistenza elettrica per una transizione di fase, diventando un superconduttore“. 

È la base della risonanza magnetica (MRI) per la diagnosi del cancro o la tecnologia maglev che fa galleggiare un treno in modo che possa correre a 300 miglia all’ora senza causare vertigini. Proprio come un superconduttore, la transizione di fase nell’Universo primordiale potrebbe aver creato un tubo molto sottile di campi magnetici chiamati stringhe cosmiche“, spiega il coautore dell’articolo Hitoshi Murayama, Professore di Fisica MacAdams presso l’Università della California, Berkeley, Principal Investigator presso il Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe,

Dror e Murayama fanno parte di un team di ricercatori provenienti da Giappone, Stati Uniti e Canada che credono che le corde cosmiche cerchino quindi di semplificarsi, portando a minuscole oscillazioni dello spaziotempo chiamate onde gravitazionali. Queste potrebbero essere rilevate da futuri osservatori spaziali come LISA, BBO (Agenzia spaziale europea) o DECIGO (Agenzia giapponese di esplorazione astronautica) per quasi tutte le possibili temperature critiche.

La recente scoperta delle onde gravitazionali apre una nuova opportunità per guardare indietro nel tempo, poiché l’Universo è trasparente alla gravità fin dall’inizio. Quando l’Universo era da un trilione a un quadrilione di volte più caldo del luogo più caldo dell’Universo di oggi, è probabile che i neutrini si siano comportati proprio nel modo in cui abbiamo bisogno per garantire la nostra sopravvivenza. Abbiamo dimostrato che probabilmente hanno anche lasciato dietro di sé uno sfondo di increspature gravitazionali rilevabili per farcelo sapere“, afferma il coautore dell’articolo Graham White, un borsista post-dottorato presso TRIUMF.

Le stringhe cosmiche erano popolari come un modo per creare piccole variazioni nelle densità di massa che alla fine sono diventate stelle e galassie, ma sono morte perché i dati recenti hanno escluso questa idea. Ora con il nostro lavoro l’idea ritorna per un motivo diverso. Questo è eccitante!” dice Takashi Hiramatsu, un borsista post-dottorato presso l’Institute for Cosmic Ray Research, Università di Tokyo, che gestisce gli esperimenti giapponesi KAGRA e Hyper-Kamiokande del rivelatore di onde gravitazionali.

L’onda gravitazionale delle stringhe cosmiche ha uno spettro molto diverso dalle sorgenti astrofisiche come la fusione dei buchi neri. È abbastanza plausibile che saremo completamente convinti che la fonte sia davvero stringhe cosmiche“, afferma Kazunori Kohri, professore associato presso l’High Energy Accelerator Research Organization Theory Center in Giappone.

Sarebbe davvero emozionante scoprire perché esistiamo“, dice Murayama. “Questa è domanda finale della scienza“.

Il documento è stato pubblicato online come Suggerimento dell’editore in Physical Review Letters il 28 gennaio 2020.

Riferimento: “Testing the Seesaw Mechanism and Leptogenesis with Gravitational Waves” di Jeff A. Dror, Takashi Hiramatsu, Kazunori Kohri, Hitoshi Murayama e Graham White, 28 gennaio 2020, Physical Review Letters .
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.041804

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