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Mentre i fisici continuano la loro lotta per trovare e spiegare l’origine della materia oscura, circa l’80% della materia nell’universo che non possiamo vedere e finora non siamo stati in grado di rilevare, i ricercatori hanno ora proposto un modello in cui viene prodotta prima del Big Bang.
Mentre i fisici continuano la loro lotta per trovare e spiegare l’origine della materia oscura, circa l’80% della materia nell’universo che non possiamo vedere e finora non siamo stati in grado di rilevare, i ricercatori hanno ora proposto un modello in cui viene prodotta prima del Big Bang.
La loro idea è che la materia oscura verrebbe prodotta durante una fase inflazionistica infinitamente breve, quando le dimensioni dell’universo si espandevano rapidamente in modo esponenziale.
Il nuovo modello è stato pubblicato su Physical Review Letters da tre scienziati del Texas negli Stati Uniti.
La teoria dell’inflazione è stata sviluppata circa 45 anni fa, proponendo un periodo di espansione esponenzialmente veloce nell’universo primordiale in cui l’universo si è espanso di un fattore di circa 1026 in 10-36 Secondi. (Dopo che l’inflazione cessò, l’universo continuò ad espandersi, anche se non in modo esponenziale.)
Miliardi di anni dopo, l’energia oscura ha iniziato l’accelerazione che vediamo oggi. L’idea dell’inflazione spiega ordinatamente molti enigmi in cosmologia, come il problema della planarità, il problema dell’omogeneità e il problema del monopolo, e spiega l’origine della struttura nell’universo come fluttuazioni quantistiche che sono state enormemente ingrandite.
Sebbene l’inflazione sia per lo più accettata dai cosmologi come parte del quadro del Big Bang sulla base di alcune prove (anche se c’è un dissenso significativo), il fattore dell’inflazione è ancora sconosciuto.
I cosmologi si riferiscono ad esso genericamente come l’inflatone, un campo ipotetico che si estende su tutto lo spazio-tempo di una particella scalare (spin zero), forse il campo di Higgs. (Forse no.)
L’inflazione avviene così rapidamente che l’universo si trova in un’espansione superraffreddata, dove la temperatura scende di un fattore di circa 100.000.
Questa bassa temperatura persiste durante la fase inflazionistica.
Quando l’inflazione termina, la temperatura ritorna alla temperatura pre-inflazionistica, un processo chiamato riscaldamento, e il campo di inflatone decade nelle particelle del Modello Standard, compresi i fotoni.
La ricerca ha dimostrato che il bagno può raggiungere temperature molto più elevate rispetto alla temperatura di riscaldamento e per il congelamento ultravioletto la quantità di materia oscura prodotta dipende dalla temperatura più alta del bagno termale.
Ma fino ad oggi la ricerca non ha considerato la possibilità che una parte significativa della materia oscura possa essere prodotta durante l’espansione inflazionistica e non essere diluita.
Nel modello dell’articolo, la materia oscura viene creata attraverso piccole e rare interazioni con particelle in un ambiente caldo ed energetico.
Contiene un nuovo meccanismo in cui questa produzione avviene appena prima del Big Bang, durante l’inflazione cosmica, portando alla formazione della materia oscura molto prima rispetto alle teorie esistenti tramite congelamento.
Anche se sembra insolito, molti cosmologi ora pensano che l’inflazione sia avvenuta prima del Big Bang, poiché l’esistenza di una singolarità del Big Bang con densità infinita e curvatura dello spazio-tempo infinita sembra irrealistica.
Invece, l’universo avrebbe una dimensione piccola dopo l’inflazione, circa 10-26 metri di diametro, e da lì si verificherebbero le fasi standard della radiazione e della produzione di particelle, quindi la nucleosintesi avrebbe luogo per popolare l’universo.
I teorici hanno proposto una prospettiva diversa sul ruolo dell’inflazione nel ruolo della materia oscura attraverso un congelamento.
“La cosa unica del nostro modello è che la materia oscura viene prodotta con successo durante l’inflazione”, ha detto Katherine Freese, direttrice del Weinberg Institute of Theoretical Physics e del Texas Center for Cosmology and Astroparticle Physics presso l’Università del Texas ad Austin e autrice principale dell’articolo.
“Nella maggior parte degli [altri] modelli, tutto ciò che viene creato durante l’inflazione viene poi ‘gonfiato’ dall’espansione esponenziale dell’universo, fino al punto in cui non rimane essenzialmente nulla”.
In questo nuovo meccanismo, tutta la materia oscura che osserviamo oggi potrebbe essere stata creata durante quel breve periodo di inflazione pre-Big Bang.
Il campo quantistico che guida l’inflazione, l’inflatone, perde parte della sua energia a causa della radiazione, e questa radiazione, a sua volta, produce particelle di materia oscura attraverso il meccanismo di congelamento.
Cosa c’era prima dell’inflazione? I fisici non ne hanno idea.
Il modello non può ancora essere confermato dalle osservazioni.
Ma una parte fondamentale dello scenario, l’inflazione calda, sarà testata nel prossimo decennio dai cosiddetti esperimenti sulla radiazione cosmica di fondo.
La conferma dell’inflazione calda sarebbe un passo significativo per lo scenario di produzione di materia oscura del modello.
“Nel nostro studio, ci siamo concentrati sulla produzione di materia oscura, ma il WIFI suggerisce un’applicabilità più ampia”, ha detto Barmak Shams Es Haghi, co-autore dell’articolo insieme a Gabriele Montefalcone, “come la produzione di altre particelle che potrebbero svolgere un ruolo cruciale nell’evoluzione dell’universo primordiale. Ciò evidenzia nuove opportunità di esplorazione nella ricerca futura”.
