Rappresentazione artistica della nucleosintesi del big bang, il periodo dell'universo primordiale in cui i protoni "p" e i neutroni "n" si combinano per formare elementi luminosi. La presenza di materia oscura "χ" cambia la quantità di ogni elemento che si formerà. Credito:Cara Giovanetti/Università di New York
Una nuova analisi da parte di un team di fisici offre un mezzo innovativo per prevedere le "firme cosmologiche" per i modelli di materia oscura.
Un team di fisici ha sviluppato un metodo per prevedere la composizione della materia oscura, materia invisibile rilevata solo dalla sua attrazione gravitazionale sulla materia ordinaria e la cui scoperta è stata a lungo ricercata dagli scienziati.
Il suo lavoro, che appare sulla rivista Physical Review Letters , è incentrato sulla previsione delle "firme cosmologiche" per modelli di materia oscura con una massa compresa tra quella dell'elettrone e del protone. I metodi precedenti avevano previsto firme simili per modelli più semplici di materia oscura. Questa ricerca stabilisce nuovi modi per trovare queste firme in modelli più complessi, che gli esperimenti continuano a cercare, osservano gli autori dell'articolo.
"Gli esperimenti alla ricerca della materia oscura non sono l'unico modo per saperne di più su questo misterioso tipo di materia", afferma Cara Giovanetti, Ph.D. studente al Dipartimento di Fisica della New York University e autore principale dell'articolo.
"Misurazioni di precisione di diversi parametri dell'universo, ad esempio la quantità di elio nell'universo o le temperature di diverse particelle nell'universo primordiale, possono anche insegnarci molto sulla materia oscura", aggiunge Giovanetti, delineando il metodo descritto nelle Lettere di revisione fisica carta.
Nella ricerca, condotta con Hongwan Liu, un borsista post-dottorato della New York University, Joshua Ruderman, professore associato presso il Dipartimento di Fisica della New York University, e la fisica di Princeton Mariangela Lisanti, Giovanetti e i suoi coautori si sono concentrati sulla nucleosintesi del big bang (BBN), un processo di quali forme leggere di materia, come elio, idrogeno e litio, vengono create. La presenza di materia oscura invisibile influenza il modo in cui ciascuno di questi elementi si formerà. Anche vitale per questi fenomeni è il fondo cosmico a microonde (CMB), la radiazione elettromagnetica, generata dalla combinazione di elettroni e protoni, che è rimasta dopo la formazione dell'universo.
Il team ha cercato un mezzo per individuare la presenza di una specifica categoria di materia oscura, quella con una massa compresa tra quella dell'elettrone e del protone, creando modelli che tenessero conto sia della BBN che della CMB.
"Tale materia oscura può modificare l'abbondanza di alcuni elementi prodotti nell'universo primordiale e lasciare un'impronta nel fondo cosmico a microonde modificando la velocità con cui l'universo si espande", spiega Giovanetti.
Nella sua ricerca, il team ha fatto previsioni sulle firme cosmologiche legate alla presenza di alcune forme di materia oscura. Queste firme sono il risultato della materia oscura che cambia le temperature di diverse particelle o altera la velocità di espansione dell'universo.
I loro risultati hanno mostrato che la materia oscura troppo leggera porterà a quantità diverse di elementi luminosi rispetto a quanto vedono le osservazioni astrofisiche.
"Forme più leggere di materia oscura potrebbero far espandere l'universo così velocemente che questi elementi non hanno la possibilità di formarsi", afferma Giovanetti, delineando uno scenario.
"Apprendiamo dalla nostra analisi che alcuni modelli di materia oscura non possono avere una massa troppo piccola, altrimenti l'universo sembrerebbe diverso da quello che osserviamo", aggiunge. + Esplora ulteriormente
