Gli astrofisici sono alla ricerca della materia oscura da diversi decenni, ma queste ricerche hanno finora prodotto risultati deludenti. In un recente studio, due ricercatori del Weizmann Institute of Science e dell'Università Ebraica di Gerusalemme in Israele hanno introdotto un nuovo quadro teorico che delinea un meccanismo di materia oscura termica elementare con massa fino a 10 ¹⁴ GeV.

La materia oscura considerata nel loro lavoro consiste in diverse particelle quasi degenerate che si disperdono nella catena del vicino più vicino in un modo che è allineato con il modello standard utilizzato negli studi sulla materia oscura. Il nuovo quadro presentato da questi ricercatori, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , potrebbe in definitiva informare le future ricerche di materia oscura pesante.

"La natura della materia oscura è un problema di vecchia data nella fisica moderna, "Hyungjin Kim, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Una particella pesante come il bosone di Higgs, ed è coinvolto in interazioni la cui forza è quella dell'interazione elettrodebole, si pensa che sia un candidato per la materia oscura particolarmente ben motivato, come spesso accade naturalmente quando si affronta un altro problema chiave:la gerarchia tra la scala elettrodebole e la scala di Planck."

La particella che si pensa sia un buon candidato per la materia oscura, nota come particella massiva a interazione debole (WIMP), potrebbe essere prodotto naturalmente dalle interazioni tra particelle modello standard nell'universo primordiale mentre sono in equilibrio termico. Questo particolare processo va sotto il nome di "meccanismo termico di congelamento".

Sulla base dell'attuale teoria astrofisica, l'abbondanza finale di WIMP nel nostro universo oggi sarebbe quindi insensibile ai dettagli delle condizioni iniziali o dei parametri del modello. Però, una tradizione comune originata da un articolo del 1990 di Kim Griest e Marc Kamionkowski suggerisce che questo meccanismo di congelamento termico non funziona quando la materia oscura è più pesante di 100 TeV (cioè, mille volte più pesante del bosone di Higgs).

"Nel nostro recente articolo, dimostriamo che questa tradizione comune è sbagliata e mostriamo che il congelamento termico è possibile anche quando la materia oscura è di diversi ordini di grandezza più pesante della massa di Higgs, se c'è un insieme di particelle scure che disperdono le particelle del modello standard con interazioni del vicino più prossimo, "Eric Kuflik, l'altro ricercatore dietro lo studio, disse. "L'abbondanza delle reliquie della materia oscura è quindi determinata dalle interazioni stocastiche tra le particelle oscure e le particelle del Modello Standard".

Il meccanismo proposto da Kim e Kuflik descrive un insieme di particelle di materia oscura che si disperdono con la materia ordinaria attraverso interazioni del vicino più prossimo, che cambiano tra le specie. In altre parole, suggerisce che la materia oscura fa una "passeggiata casuale" tra le specie di materia oscura, cambiando continuamente la propria identità. Sulla base del quadro introdotto dai ricercatori, perciò, l'abbondanza di materia oscura è determinata termicamente nell'universo primordiale, consentendo masse di materia oscura estremamente pesanti.

"Abbiamo dimostrato che la materia oscura può essere prodotta dal bagno termale dell'universo primordiale pur essendo in equilibrio termico, anche per masse di materia oscura sostanzialmente più pesanti di quanto la saggezza convenzionale consentirebbe, " Kim ha spiegato. "Interessante, l'abbondanza di particelle di materia oscura nel nostro scenario dipende solo dalla forza di interazione delle particelle oscure con le particelle del modello standard".

Il nuovo framework sviluppato da Kim e Kuflik potrebbe avere importanti implicazioni per gli studi che studiano il fondo cosmico a microonde, formazione di strutture e raggi cosmici. Inoltre, potrebbe servire come punto di riferimento per ricerche sperimentali sulla materia oscura pesante, poiché suggerisce che i decadimenti in particelle di materia ordinaria nel tardo universo potrebbero lasciare interessanti firme astrofisiche e cosmologiche, che i ricercatori potrebbero cercare durante la ricerca della materia oscura.

"Ci sono due direzioni promettenti che speriamo di perseguire nel nostro lavoro futuro, " Kim ha detto. "In primo luogo, il nostro meccanismo prevede inevitabilmente che le particelle di materia oscura decadano in particelle del Modello Standard nel corso della storia dell'universo. Questo potrebbe lasciare interessanti firme astrofisiche, come i raggi cosmici ad altissima energia e così via. Anche le implicazioni per la cosmologia sono interessanti".

Finora, Kim e Kuflik hanno descritto l'idea di base della materia oscura superpesante e ne hanno fornito un "semplice modello giocattolo" parametrizzando la forza di interazione tra le particelle scure e le particelle del modello standard. Nei loro studi successivi, però, Kim e Kuflik hanno in programma di condurre uno studio dettagliato delle teorie della fisica delle particelle che potrebbero realizzare il loro meccanismo di materia oscura termica superpesante.

"Le realizzazioni esplicite nella fisica delle particelle aiuteranno a identificare l'intera suite di segnali sperimentali previsti dal meccanismo, che ci insegnerà i mezzi migliori per escludere o rilevare tale materia oscura, " ha aggiunto Kuflik.

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