All'inizio della sua storia, poco dopo il Big Bang, l'universo era pieno di uguali quantità di materia e "antimateria", particelle che sono controparti di materia ma con carica opposta. Ma poi, con l'espansione dello spazio, l'universo si è raffreddato. L'universo di oggi è pieno di galassie e stelle fatte di materia. Dov'è finita l'antimateria e come è arrivata la materia a dominare l'universo? Questa origine cosmica della materia continua a sconcertare gli scienziati.

I fisici dell'Università della California, Riverside e della Tsinghua University in Cina, hanno ora aperto un nuovo percorso per sondare l'origine cosmica della materia invocando il "collider cosmologico".

Non un collisore qualsiasi

Collider ad alta energia, come il Large Hadron Collider, sono stati costruiti per produrre particelle elementari subatomiche molto pesanti che potrebbero rivelare una nuova fisica. Ma qualche nuova fisica, come quella che spiega la materia oscura e l'origine della materia, può coinvolgere particelle molto più pesanti, richiedendo un'energia molto più elevata di quella che può fornire un collisore di fabbricazione umana. Si scopre che il cosmo primordiale avrebbe potuto fungere da tale super collisore.

Yanou Cui, professore associato di fisica e astronomia all'UCR, ha spiegato che è opinione diffusa che l'inflazione cosmica, un'era in cui l'universo si espanse a un ritmo esponenzialmente accelerato, abbia preceduto il Big Bang.

"L'inflazione cosmica ha fornito un ambiente altamente energetico, consentendo la produzione di nuove particelle pesanti e le loro interazioni", ha affermato Cui. "L'universo inflazionistico si è comportato proprio come un collisore cosmologico, tranne per il fatto che l'energia era fino a 10 miliardi di volte più grande di qualsiasi collisore creato dall'uomo".

Secondo Cui, le strutture microscopiche create da eventi energetici durante l'inflazione si sono allungate con l'espansione dell'universo, risultando in regioni di densità variabile in un universo altrimenti omogeneo. Successivamente, queste strutture microscopiche hanno seminato la struttura su larga scala del nostro universo, manifestata oggi come la distribuzione delle galassie nel cielo. Cui ha spiegato che la nuova fisica delle particelle subatomiche può essere rivelata studiando l'impronta del collisore cosmologico nei contenuti del cosmo oggi, come le galassie e il fondo cosmico a microonde.

Cui e Zhong-Zhi Xianyu, un assistente professore di fisica alla Tsinghua University, riferiscono sulla rivista Physical Review Letters che applicando la fisica del collisore cosmologico e utilizzando dati di precisione per misurare la struttura del nostro universo da esperimenti imminenti come SPHEREx e tomografia a linee di 21 cm, il mistero dell'origine cosmica della materia possa essere svelato.

"Il fatto che il nostro universo attuale sia dominato dalla materia rimane uno dei misteri più sconcertanti e di vecchia data della fisica moderna", ha detto Cui. "Un sottile squilibrio o asimmetria tra materia e antimateria nell'universo primordiale è necessario per ottenere il dominio della materia di oggi, ma non può essere realizzato all'interno della struttura nota della fisica fondamentale".

Leptogenesi in soccorso

Cui e Xianyu propongono di testare la leptogenesi, un noto meccanismo che spiega l'origine dell'asimmetria barionica - gas visibile e stelle - nel nostro universo. Se l'universo fosse iniziato con uguali quantità di materia e antimateria, si sarebbero annientati a vicenda in radiazione di fotoni, senza lasciare nulla. Poiché oggi la materia supera di gran lunga l'antimateria, per spiegare lo squilibrio è necessaria l'asimmetria.

"La leptogenesi è uno dei meccanismi più convincenti che generano l'asimmetria materia-antimateria", ha detto Cui. "Si tratta di una nuova particella fondamentale, il neutrino destrorso. Tuttavia, a lungo si è pensato che testare la leptogenesi fosse quasi impossibile perché la massa del neutrino destrorso è tipicamente di molti ordini di grandezza oltre la portata della massima energia mai costruito, il Large Hadron Collider."

Il nuovo lavoro si propone di testare la leptogenesi decodificando le proprietà statistiche dettagliate della distribuzione spaziale degli oggetti nella struttura cosmica osservata oggi, che ricorda la fisica microscopica durante l'inflazione cosmica. L'effetto collisore cosmologico, sostengono i ricercatori, consente la produzione del neutrino destrorso super pesante durante l'epoca inflazionistica.

"In particolare, dimostriamo che le condizioni essenziali per la generazione dell'asimmetria, comprese le interazioni e le masse del neutrino destrorso, che è l'attore chiave qui, possono lasciare impronte distintive nelle statistiche della distribuzione spaziale delle galassie o del fondo cosmico a microonde e può essere misurato con precisione", ha detto Cui. "Le osservazioni astrofisiche previste nei prossimi anni possono potenzialmente rilevare tali segnali e svelare l'origine cosmica della materia". + Esplora ulteriormente

Usare l'universo come 'cosmologico collisore' (Aggiornamento)