Nei vuoti cosmici dove la densità delle galassie è molto inferiore allo standard, gli astronomi hanno osservato deboli campi magnetici che potrebbero fornire una finestra sull'universo primordiale. I campi 10 ^-17 -10 ^-10 Si pensa che G in magnitudine con grandi lunghezze di coerenza fino a megaparsec abbiano le loro origini nell'universo primordiale, ma finora non è chiaro quando o come siano stati generati. Un'ipotesi è che uno squilibrio nel numero di fermioni "levogiri" e "destrimani" possa essere al centro di ciò, in quanto ciò potrebbe dare origine a campi magnetici elicoidali. Ma finora non c'è stata un'analisi dettagliata su come l'evoluzione del numero di fermioni levogiri e destrorsi potrebbe confrontarsi con questa ipotesi. Ora una collaborazione di ricercatori in Europa riporta un'analisi più rigorosa di questo squilibrio di chiralità con risultati sorprendenti.

La manualità o chiralità dei fermioni è una proprietà fondamentale delle particelle quantistiche (rilevante per la descrizione dell'interazione debole tra di esse). "Per i fermioni senza massa coincide con l'elicità della particella, cioè la proiezione dello spin della particella sulla direzione del suo movimento, " spiega Oleksandr Sobol, ricercatore post-dottorato presso l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in Svizzera e l'Università di Kiev, e autore corrispondente su questo ultimo rapporto. "Però, per i veri fermioni massicci non c'è una semplice analogia."

Oleksandr spiega che alcuni processi possono capovolgere la chiralità, che tende a livellare lo squilibrio nella chiralità dei fermioni nel tempo. Finora i cosmologi si sono basati su una stima di questo tasso di decadimento basata sulle reazioni più semplici coinvolte in questi processi. Secondo questi principi la velocità di decadimento è proporzionale al quadrato di una costante fondamentale nota come costante di struttura fine, che quantifica la forza delle interazioni elettromagnetiche tra particelle fondamentali. Però, una delle cose che questa stima non tiene in considerazione è il modo in cui le particelle in un plasma differiscono dalle particelle nel vuoto. Si scopre che questo ha un impatto significativo sui calcoli della probabilità di uno dei processi di scattering che possono capovolgere la chiralità di una particella.

Effetti ambientali

In ogni processo di dispersione, la quantità di moto viene trasferita da una particella in collisione a un'altra, spiega Sobol. Più basso è lo slancio trasferito, maggiore è la probabilità che si verifichi la dispersione. Nella loro analisi del tasso di decadimento dello squilibrio di chiralità, lui e i suoi collaboratori si concentrano in gran parte sullo scattering Compton in cui un elettrone e un fotone si scontrano, che può capovolgere la chiralità dell'elettrone. Qui, come sottolinea Sobol, quando l'elettrone e il fotone scambiano i loro momenti senza che i valori dei momenti cambino molto, la probabilità di dispersione può davvero salire alle stelle, crescendo così velocemente che l'integrazione su tutti i possibili valori di trasferimento di quantità di moto tende all'infinito, una cosiddetta singolarità infrarossa, dove l'infrarosso si riferisce al basso trasferimento di quantità di moto coinvolto.

"Ovviamente, questo non è fisico, perché tutte le quantità dovrebbero rimanere finite, "aggiunge Sobol, sottolineando che tenere conto delle differenze tra le particelle nel plasma e nel vuoto può risolvere il problema. "L'ambiente cambia la dispersione energetica delle particelle e ne rende finita la vita". Tenendo conto di questi effetti ambientali, i ricercatori sono stati in grado di rendere finite tutte le quantità. Quello che hanno anche trovato con loro sorpresa, era che una delle costanti di struttura fine nella relazione della velocità di decadimento della chiralità si annulla in modo che la velocità diventi linearmente proporzionale alla costante di struttura fine.

La variazione della relazione che descrive il tasso di decadimento gli conferisce un valore due ordini di grandezza più veloce di quello fissato dalla stima precedente. Sebbene una discrepanza così ampia possa sembrare qualcosa che avrebbe dovuto essere rilevata da qualche parte lungo la linea prima, o almeno verificata, è solo di recente che i calcoli numerici che utilizzano questi valori sono stati davvero praticabili. "L'analisi quantitativa dei plasmi con squilibrio chirale richiede simulazioni complicate e numericamente costose che le persone non erano in grado di eseguire molti anni fa, " dice Sobol. "In altre parole, fino a tempi recenti non era necessario il valore numerico esatto del tasso di capovolgimento della chiralità." Sottolinea inoltre che non era chiaro anche come calcolare questo tasso, poiché richiede alcuni calcoli "non banali":una doppia espansione perturbativa, nella costante di struttura fine e nella massa dell'elettrone.

Così, con un tasso di decadimento così veloce è confermato che il gioco è finito per le teorie dei campi magnetici primordiali generati dallo squilibrio della chiralità dei fermioni? Non proprio. Come sottolinea Sobol, un altro fattore chiave è la velocità con cui lo squilibrio di chiralità può essere trasferito nel campo magnetico. "Questo tasso è ancora sconosciuto e sicuramente dovrebbe essere calcolato, " dice Sobol. "Solo conoscendo entrambi i tassi si potrebbe concludere sulla possibilità della magnetogenesi in questo modello".

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