Un nuovo studio, condotto per comprendere meglio l'origine dell'universo, ha fornito informazioni su alcune delle domande più durature della fisica fondamentale:come si può estendere il Modello Standard della fisica delle particelle per spiegare l'eccesso cosmologico della materia sull'antimateria? Cos'è la materia oscura? E qual è l'origine teorica di una simmetria inaspettata ma osservata nella forza che lega insieme protoni e neutroni?

Nel documento "Axiogenesis, " programmato per essere pubblicato in Lettere di revisione fisica il 17 marzo, 2020, ricercatori Keisuke Harigaya, Membro della Scuola di Scienze Naturali presso l'Istituto di Studi Avanzati, e Raymond T. Co dell'Università del Michigan, hanno presentato un caso convincente in cui l'assione della cromodinamica quantistica (QCD), teorizzato per la prima volta nel 1977, fornisce diverse risposte importanti a queste domande.

"Abbiamo rivelato che la rotazione dell'assione QCD può spiegare l'eccesso di materia presente nell'universo, " ha dichiarato Harigaya. "Abbiamo chiamato questo meccanismo assiogenesi".

infinitamente leggero, l'assone QCD, almeno un miliardo di volte più leggero di un protone, è quasi simile a un fantasma. Milioni di queste particelle passano attraverso la materia ordinaria ogni secondo senza preavviso. Però, l'interazione a livello subatomico dell'assione QCD può ancora lasciare segnali rilevabili in esperimenti con sensibilità senza precedenti. Sebbene l'assone QCD non sia mai stato rilevato direttamente, questo studio fornisce ulteriore carburante agli sperimentatori per dare la caccia alla particella sfuggente.

"La versatilità dell'assione QCD nel risolvere i misteri della fisica fondamentale è davvero sorprendente, " ha dichiarato Co. "Siamo entusiasti delle possibilità teoriche inesplorate che questo nuovo aspetto dell'assone QCD può portare. Ma ancora più importante, gli esperimenti potrebbero presto dirci se i misteri della natura alludono davvero all'assone QCD".

Harigaya e Co hanno ragionato sul fatto che l'assione QCD è in grado di riempire contemporaneamente tre pezzi mancanti del puzzle della fisica. Primo, l'assone QCD è stato originariamente proposto per spiegare il cosiddetto problema CP forte:perché la forza forte, che lega insieme protoni e neutroni, conserva inaspettatamente una simmetria chiamata simmetria di parità di carica (CP). La simmetria CP è dedotta dall'osservazione che un neutrone non reagisce con un campo elettrico nonostante i suoi costituenti carichi. Secondo, l'assone QCD è risultato essere un buon candidato per la materia oscura, offrendo quello che potrebbe essere un importante passo avanti nella comprensione della composizione di circa l'80% della massa dell'universo che non è mai stata osservata direttamente. Nel loro lavoro sull'universo primordiale, Harigaya e Co hanno determinato che l'assione QCD può anche spiegare il problema dell'asimmetria materia-antimateria.

Quando le particelle di materia e antimateria interagiscono, sono mutuamente annientati. Nella prima frazione di secondo dopo il Big Bang, materia e antimateria esistevano in egual misura. Questa simmetria impediva il predominio di un tipo di materia sull'altro. Oggi, l'universo è pieno di materia, indicando che questa simmetria deve essere stata rotta. Harigaya e Co citano l'assone QCD come colpevole. Energia cinetica, risultante dal moto dell'assione QCD, prodotto barioni aggiuntivi o materia ordinaria. Questa leggera inclinazione della bilancia a favore della materia avrebbe avuto un pronunciato effetto a cascata, spianando la strada all'universo come è conosciuto oggi.

Una maggiore comprensione delle dinamiche appena scoperte dell'assione QCD potrebbe potenzialmente cambiare la storia dell'espansione dell'universo e quindi informare lo studio delle onde gravitazionali. Il lavoro futuro su questo argomento potrebbe anche fornire ulteriori informazioni su altre questioni durature della fisica fondamentale, come l'origine della minuscola massa di neutrini.

"Dal momento che i fisici delle particelle teorici e sperimentali, astrofisici, e i cosmologi iniziarono a studiare l'assone QCD, sono stati fatti grandi progressi. Ci auguriamo che il nostro lavoro faccia avanzare ulteriormente questi sforzi di ricerca interdisciplinare, " ha aggiunto Harigaya.