I fisici che cercano di comprendere la struttura fondamentale della natura si affidano a quadri teorici coerenti che possono spiegare ciò che vediamo e contemporaneamente fare previsioni che possiamo testare. Sulla scala più piccola delle particelle elementari, il modello standard della fisica delle particelle fornisce la base della nostra comprensione.

Sulla scala del cosmo, gran parte della nostra comprensione si basa sul "modello standard di cosmologia". Informato dalla teoria della relatività generale di Einstein, postula che la maggior parte della massa e dell'energia nell'universo sia costituita da misteriosi, sostanze invisibili note come materia oscura (che costituiscono l'80% della materia nell'universo) ed energia oscura.

Negli ultimi decenni, questo modello ha avuto un notevole successo nello spiegare un'ampia gamma di osservazioni del nostro universo. Eppure non sappiamo ancora cosa costituisce la materia oscura:sappiamo solo che esiste a causa dell'attrazione gravitazionale che esercita sugli ammassi di galassie e su altre strutture. Un certo numero di particelle sono state proposte come candidate, ma non possiamo dire con certezza quale o più particelle compongono la materia oscura.

Ora il nostro nuovo studio, che suggerisce che è probabile che particelle estremamente leggere chiamate neutrini costituiscano parte della materia oscura, sfida la nostra attuale comprensione della sua composizione.

Caldo contro freddo

Il modello standard sostiene che la materia oscura è "fredda". Ciò significa che è costituito da particelle relativamente pesanti che inizialmente avevano movimenti lenti. Come conseguenza, è molto facile che le particelle vicine si uniscano per formare oggetti legati dalla gravità. Il modello prevede quindi che l'universo dovrebbe essere riempito da piccoli "alone" di materia oscura. alcuni dei quali si fonderanno e formeranno sistemi progressivamente più massicci, rendendo il cosmo "grumoso".

Però, non è impossibile che almeno una parte della materia oscura sia "calda". Ciò comprenderebbe particelle relativamente leggere che hanno velocità piuttosto elevate, il che significa che le particelle potrebbero facilmente sfuggire da regioni dense come le galassie. Ciò rallenterebbe l'accumulo di nuova materia e porterebbe a un universo in cui la formazione della struttura è soppressa (meno grumosa).

neutrini, che sfrecciano ad altissima velocità, sono un buon candidato per la materia oscura calda. In particolare, non emettono né assorbono luce, facendoli apparire "scuri". Per molto tempo si è ipotizzato che i neutrini, che sono di tre specie diverse, non avere massa Ma gli esperimenti hanno dimostrato che possono cambiare (oscillare) da una specie all'altra. È importante sottolineare che gli scienziati hanno dimostrato che questo cambiamento richiede loro di avere una massa, il che li rende un candidato legittimo per la materia oscura calda.

Negli ultimi decenni, però, sia gli esperimenti di fisica delle particelle che varie argomentazioni astrofisiche hanno escluso che i neutrini costituiscano la maggior parte della materia oscura nell'universo. Cosa c'è di più, il modello standard assume che i neutrini (e la materia oscura calda in generale) abbiano una massa così piccola che il loro contributo alla materia oscura può essere completamente ignorato (nella maggior parte dei casi si assume che sia 0%). E, fino a poco tempo fa, questo modello ha riprodotto abbastanza bene un'ampia varietà di osservazioni cosmologiche.

Cambiare immagine

Negli ultimi anni, la quantità e la qualità delle osservazioni cosmologiche è aumentata enormemente. Uno degli esempi più importanti di questo è stato l'emergere di "osservazioni di lenti gravitazionali". La relatività generale ci dice che la materia curva lo spaziotempo in modo che la luce proveniente da galassie lontane possa essere deviata da oggetti massicci che si trovano tra noi e le galassie. Gli astronomi possono misurare tale deflessione per stimare la crescita della struttura (la "grossezza") nell'universo nel tempo cosmico.

Questi nuovi set di dati hanno presentato ai cosmologi una serie di modi per testare in dettaglio le previsioni del modello standard. Un'immagine che sta cominciando a emergere da questi confronti è che la distribuzione della massa nell'universo sembra essere meno irregolare di quanto dovrebbe essere se la materia oscura è completamente fredda.

Però, fare confronti tra il modello standard e i nuovi set di dati potrebbe non essere così semplice come si pensava. In particolare, i ricercatori hanno dimostrato che l'apparente granulosità dell'universo non è solo influenzata dalla materia oscura, ma anche da processi complessi che interessano la materia normale (protoni e neutroni). I confronti precedenti presumevano che la materia normale, che "sente" sia la gravità che le forze di pressione, è distribuito come materia oscura, che sente solo la gravità.

Ora il nostro nuovo studio ha prodotto la più grande suite di simulazioni computerizzate cosmologiche della materia normale e oscura fino ad oggi (chiamata BAHAMAS). Abbiamo anche effettuato accurati confronti con un'ampia gamma di osservazioni recenti. Concludiamo che la discrepanza tra i nuovi set di dati osservativi e il modello standard della materia oscura fredda è persino maggiore di quanto affermato in precedenza.

Abbiamo esaminato gli effetti dei neutrini e dei loro movimenti in grande dettaglio. Come previsto, quando i neutrini sono stati inclusi nel modello, la formazione della struttura nel cosmo è stata cancellata, rendendo l'universo meno grumoso. I nostri risultati suggeriscono che i neutrini costituiscono tra il 3% e il 5% della massa totale della materia oscura. Questo è sufficiente per riprodurre in modo coerente un'ampia varietà di osservazioni, comprese le nuove misurazioni della lente gravitazionale. Se una frazione maggiore della materia oscura è "calda", la crescita della struttura nell'universo è soppressa troppo.

La ricerca potrebbe anche aiutarci a risolvere il mistero di quale sia la massa di un singolo neutrino. Da vari esperimenti, i fisici delle particelle hanno calcolato che la somma delle tre specie di neutrini dovrebbe essere almeno 0,06 elettronVolt (un'unità di energia, simile a joule). Puoi convertirlo in una stima del contributo totale dei neutrini alla materia oscura, e risulta essere lo 0,5%. Dato che abbiamo scoperto che in realtà è da sei a dieci volte più grande di questo, possiamo dedurre che la massa del neutrino dovrebbe essere invece di circa 0,3-0,5 eV.

Questo è allettante vicino ai valori che possono essere effettivamente misurati dai prossimi esperimenti di fisica delle particelle. Se queste misurazioni confermano le masse che abbiamo trovato nelle nostre simulazioni, questo sarebbe molto rassicurante, dandoci un'immagine coerente del ruolo dei neutrini come materia oscura dalle più grandi scale cosmologiche al più piccolo regno della fisica delle particelle.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.