I fisici stanno sfruttando una connessione diretta tra le più grandi strutture cosmiche e gli oggetti più piccoli conosciuti per utilizzare l'universo come "collider cosmologico" e indagare sulla nuova fisica.

La mappa tridimensionale delle galassie in tutto il cosmo e la radiazione residua del Big Bang – chiamata fondo cosmico a microonde (CMB) – sono le più grandi strutture dell'universo che gli astrofisici osservano usando i telescopi. Particelle elementari subatomiche, d'altra parte, sono i più piccoli oggetti conosciuti nell'universo che i fisici delle particelle studiano usando i collisori di particelle.

Un team che include Xingang Chen dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), Yi Wang della Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) e Zhong-Zhi Xianyu del Center for Mathematical Sciences and Applications dell'Università di Harvard hanno utilizzato queste dimensioni estreme per sondare la fisica fondamentale in modo innovativo. Hanno mostrato come le proprietà delle particelle elementari nel Modello Standard della fisica delle particelle possono essere dedotte studiando le più grandi strutture cosmiche. Questa connessione avviene attraverso un processo chiamato inflazione cosmica.

L'inflazione cosmica è lo scenario teorico più ampiamente accettato per spiegare ciò che ha preceduto il Big Bang. Questa teoria prevede che la dimensione dell'universo si sia espansa a un ritmo straordinario e accelerato nella prima fugace frazione di secondo dopo la creazione dell'universo. È stato un evento molto energico, durante il quale tutte le particelle dell'universo sono state create e hanno interagito tra loro. Questo è simile all'ambiente che i fisici cercano di creare nei collisori terrestri, con l'eccezione che la sua energia può essere 10 miliardi di volte più grande di qualsiasi collisore che gli umani possono costruire.

L'inflazione è stata seguita dal Big Bang, dove il cosmo ha continuato ad espandersi per più di 13 miliardi di anni, ma il tasso di espansione ha rallentato con il tempo. Le strutture microscopiche create in questi eventi energetici si sono allungate attraverso l'universo, risultando in regioni che erano leggermente più dense o meno dense delle aree circostanti nell'universo primordiale altrimenti molto omogeneo. Come l'universo si è evoluto, le regioni più dense hanno attratto sempre più materia a causa della gravità. Infine, le strutture microscopiche iniziali hanno seminato la struttura su larga scala del nostro universo, e determinò la posizione delle galassie nel cosmo.

Nei collisori terrestri, fisici e ingegneri costruiscono strumenti per leggere i risultati degli eventi in collisione. La domanda è allora come dovremmo leggere i risultati del collisore cosmologico.

"Diversi anni fa, Yi Wang ed io, Nima Arkani-Hamed e Juan Maldacena dell'Istituto di studi avanzati, e molti altri gruppi, scoperto che i risultati di questo collisore cosmologico sono codificati nelle statistiche delle strutture microscopiche iniziali. Come il tempo passa, si imprimono nelle statistiche della distribuzione spaziale dei contenuti dell'universo, come le galassie e il fondo cosmico a microonde, che osserviamo oggi, " ha detto Xingang Chen. "Studiando le proprietà di queste statistiche possiamo imparare di più sulle proprietà delle particelle elementari".

Come nei collisori terrestri, prima che gli scienziati esplorino una nuova fisica, è fondamentale comprendere il comportamento delle particelle fondamentali note in questo collisore cosmologico, come descritto dal Modello Standard della fisica delle particelle.

"Il numero relativo di particelle fondamentali che hanno masse diverse - quello che chiamiamo spettro di massa - nel Modello Standard ha uno schema speciale, che può essere visto come l'impronta digitale del Modello Standard, " ha spiegato Zhong-Zhi Xiangyu. "Tuttavia, questa impronta digitale cambia al variare dell'ambiente, e sarebbe sembrato molto diverso al momento dell'inflazione da come appare ora".

Il team ha mostrato come sarebbe lo spettro di massa del modello standard per diversi modelli di inflazione. Hanno anche mostrato come questo spettro di massa sia impresso nell'aspetto della struttura su larga scala del nostro universo. Questo studio apre la strada alla scoperta futura di una nuova fisica.

"Le osservazioni in corso del CMB e della struttura su larga scala hanno raggiunto una precisione impressionante da cui è possibile estrarre preziose informazioni sulle strutture microscopiche iniziali, " disse Yi Wang. "In questo collisore cosmologico, qualsiasi segnale osservativo che si discosti da quello previsto per le particelle nel Modello Standard sarebbe quindi un segno di nuova fisica".

La ricerca attuale è solo un piccolo passo verso un'era entusiasmante in cui la cosmologia di precisione mostrerà tutta la sua potenza.

"Se abbiamo la fortuna di osservare queste impronte, non solo saremmo in grado di studiare la fisica delle particelle e i principi fondamentali nell'universo primordiale, ma anche capire meglio l'inflazione cosmica stessa. A questo proposito, c'è ancora un intero universo di misteri da esplorare, " ha detto Xianyu.

Questa ricerca è dettagliata in un articolo pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica il 29 giugno, 2017, e la prestampa è disponibile online.