Quasi un quarto dell’universo si trova letteralmente avvolto dall’oscurità. Secondo le teorie dei cosmologi, il 25,8% della materia dell’universo è costituito da materia oscura, la cui presenza è segnalata essenzialmente dalla sua attrazione gravitazionale.
Cosa sia, in realtà, questa sostanza rimane un mistero. Hermann Nicolai, direttore del Max Planck Institute for Gravitational Physics di Potsdam, e il suo collega Krzysztof Meissner, dell’Università di Varsavia, hanno ora proposto un nuovo candidato: un gravitino super pesante.
L’esistenza di questa particella ancora ipotetica deriva da un’ipotesi che cerca di spiegare come lo spettro osservato di quark e leptoni nel modello standard della fisica delle particelle potrebbe emergere da una teoria fondamentale. Inoltre, i ricercatori descrivono un possibile metodo per rintracciare effettivamente questa particella.
Il modello standard della fisica delle particelle comprende i mattoni della materia e le forze che le tengono insieme. Afferma che ci sono sei diversi quark e sei leptoni che sono raggruppati in tre “famiglie”. Tuttavia, tutto ciò che ci circonda e noi stessi siamo costituiti solo da tre particelle della prima famiglia: i quark up e down e l’elettrone, che è un membro della famiglia leptonica.
Fino ad ora, questo modello standard consolidato è rimasto invariato. Il Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra è stato messo in servizio una decina di anni fa con lo scopo principale di esplorare ciò che poteva trovarsi al di là del modello standard. Tuttavia, dopo dieci anni di acquisizione dei dati, gli scienziati non sono riusciti a rilevare nuove particelle elementari, a parte il bosone di Higgs, nonostante le aspettative ampiamente contrarie. In altre parole, fino ad ora, le misurazioni dell’LHC non sono riuscite a fornire alcun suggerimento di “nuova fisica” oltre il modello standard. Questi risultati sono in netto contrasto con le numerose estensioni proposte di questo modello che suggeriscono che dovrebbero esistere un gran numero di nuove particelle.
In un precedente articolo pubblicato su Physical Review Letters, Hermann Nicolai e Krzysztof Meissner hanno presentato una nuova ipotesi che cerca di spiegare perché solo le particelle elementari già note si presentano come elementi elementari di base della materia in natura – e perché, contrariamente a quanto si pensava in precedenza , non si prevedono nuove particelle nella gamma di energia accessibile a esperimenti futuri attuali o immaginabili.
Inoltre, i due ricercatori postulano l’esistenza di gravitini superpesanti, che potrebbero essere candidati molto insoliti per la materia oscura. In una seconda pubblicazione, pubblicata di recente sulla rivista Physical Review D, hanno anche presentato una proposta su come rintracciare questi gravitini.
Nel loro lavoro, Nicolai e Meissner riprendono una vecchia idea del vincitore del Premio Nobel Murray Gell-Mann basata sulla teoria “N = 8 Supergravity”. Un elemento chiave della loro proposta è un nuovo tipo di simmetria a dimensione infinita che ha lo scopo di spiegare lo spettro osservato dei quark e dei leptoni noti in tre famiglie. “La nostra ipotesi in realtà non produce particelle aggiuntive per la materia ordinaria che dovrebbero quindi essere messe in discussione perché non si presentano negli esperimenti con l’acceleratore“, afferma Hermann Nicolai. “Al contrario, la nostra ipotesi in linea di principio può spiegare esattamente ciò che vediamo, in particolare la replica della divisione di quark e leptoni in tre famiglie“.
Tuttavia, i processi che avvengono nel cosmo non possono essere spiegati interamente dalla materia ordinaria di cui siamo già a conoscenza. Un segno di questo sono le galassie: ruotano ad alta velocità e la materia visibile nell’universo – che rappresenta solo circa il 5% della materia nell’universo – non dovrebbe essere sufficiente a tenerle insieme. Finora, tuttavia, nessuno sa di cosa sia fatto il resto, nonostante numerosi suggerimenti. La natura della materia oscura è quindi una delle più importanti domande senza risposta in cosmologia.
“L’aspettativa comune è che la materia oscura sia costituita da una particella elementare e che non sia stato ancora possibile rilevare questa particella perché interagisce con la materia ordinaria quasi esclusivamente attraverso la forza gravitazionale“, afferma Hermann Nicolai.
Il modello sviluppato in collaborazione con Krzysztof Meissner offre un nuovo candidato per una particella di materia oscura di questo tipo, sebbene con proprietà completamente diverse da tutti i candidati discussi finora, come gli assioni o i WIMP. Quest’ultimo interagisce solo debolmente con la materia nota. Lo stesso vale per i gravitini molto leggeri che sono stati più volte proposti come candidati per la materia oscura in relazione alla supersimmetria a bassa energia.
Tuttavia, la presente proposta va in una direzione completamente diversa, in quanto non assegna più un ruolo primario alla supersimmetria, anche se lo schema discende dalla massima supergravità N = 8. “In particolare, il nostro schema prevede l’esistenza di gravitini super pesanti, che – a differenza dei soliti candidati e a differenza dei gravitini leggeri precedentemente considerati – interagirebbero fortemente ed elettromagneticamente con la materia ordinaria“, afferma Hermann Nicolai.
La loro grande massa significa che queste particelle possono esistere solo in forma molto diluita nell’universo; in caso contrario, “chiuderebbero” l’universo e porterebbero così al suo crollo.
Secondo il ricercatore del Max Planck, in realtà non ne occorrerebbero molti per spiegare il contenuto di materia oscura nell’universo e nella nostra galassia: sarebbe sufficiente una particella per 10.000 chilometri cubi. La massa della particella postulata da Nicolai e Meissner si trova nella regione della massa di Planck, cioè circa un centomilionesimo di chilogrammo. In confronto, protoni e neutroni – i mattoni del nucleo atomico – sono circa dieci quintilioni (dieci milioni di miliardi) volte più leggeri. Nello spazio intergalattico, la densità sarebbe persino molto più bassa.
“La stabilità di questi gravitini pesanti dipende dai loro insoliti numeri quantici (cariche)“, afferma Nicolai. “Nello specifico, semplicemente non ci sono stati finali con le corrispondenti cariche nel modello standard in cui questi gravitini potrebbero decadere, altrimenti sarebbero scomparsi poco dopo il Big Bang“.
Le loro interazioni forti ed elettromagnetiche con la materia nota possono rendere queste particelle di materia oscura più facili da rintracciare nonostante la loro rarità estrema. Una possibilità è quella di cercarli con misurazioni del tempo di volo dedicate nel sottosuolo, poiché queste particelle si muovono molto più lentamente della velocità della luce, a differenza delle normali particelle elementari originate dalla radiazione cosmica, ma penetrerebbero senza sforzo attraverso Terra a causa della loro grande massa, come una palla di cannone che non può essere fermata da uno sciame di zanzare.
Questo fatto dà ai ricercatori l’idea di usare il nostro stesso pianeta come un “paleo-rivelatore“: la Terra orbita nello spazio interplanetario da circa 4,5 miliardi di anni, durante i quali deve essere stata penetrata da molti di questi enormi gravitini. Nel farlo, queste particelle dovrebbero aver lasciato tracce di ionizzazione lunghe e diritte nella roccia, ma potrebbe non essere facile distinguerle dalle tracce causate da particelle note. “È noto che le radiazioni ionizzanti causano difetti reticolari nelle strutture cristalline. Potrebbe essere possibile rilevare reliquie di tali tracce di ionizzazione in cristalli che rimangono stabili per milioni di anni a causa del loro lungo tempo di esposizione”, conclude Hermann Nicolai.
Fonte: Phys.org
