L’assione Qcd per risolvere i problemi della fisica fondamentale

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Assiogenesi primordiale e origine della materia. Un nuovo studio condotto da due ricercatori dell’Institute for Advanced Study e dell’Università del Michigan riporta che la rotazione dell’assione della cromodinamica quantistica potrebbe essere in grado di spiegare l’eccesso di materia presente nell’universo. Il meccanismo è stato chiamato ‘assiogenesi’ e viene descritto dagli autori in un articolo che verrà presto pubblicato su Prl

Un nuovo studio, condotto per comprendere meglio l’origine dell’universo, ha fornito informazioni su alcune fra le domande più ostiche della fisica fondamentale: come si può estendere il modello standard della fisica delle particelle per spiegare l’eccesso cosmologico della materia rispetto all’antimateria? Cos’è la materia oscura? E qual è l’origine teorica di una simmetria inattesa ma osservata nella forza che lega insieme protoni e neutroni?

La rotazione dell’assione Qcd (sfera nera) produce un eccesso di materia (sfere colorate) rispetto all’antimateria, consentendo l’esistenza delle galassie e degli esseri umani. Crediti: Graphics: Harigaya & Co; Photo: Nasa
La rotazione dell’assione Qcd (sfera nera) produce un eccesso di materia (sfere colorate) rispetto all’antimateria, consentendo l’esistenza delle galassie e degli esseri umani. Crediti: Graphics: Harigaya & Co; Photo: Nasa

Nell’articolo “Axiogenesis“, che uscirà su Physical Review Letters il 17 marzo 2020, i ricercatori Keisuke Harigaya, membro della School of Natural Sciences presso l’Institute for Advanced Study, e Raymond T. Co, dell’Università del Michigan, hanno presentato argomenti convincenti secondo i quali l’assione della cromodinamica quantistica (Qcd) – un’ipotetica particella elementare teorizzata per la prima volta nel 1977 per spiegare la non violazione della simmetria Cp nell’interazione forte – fornirebbe diverse importanti risposte a queste domande.

«Abbiamo annunciato che la rotazione dell’assione Qcd può spiegare l’eccesso di materia presente nell’universo, e abbiamo chiamato questo meccanismo assiogenesi», dice Harigaya.

Infinitamente leggero, l’assione Qcd – almeno un miliardo di volte più leggero di un protone – sembra essere una particella inafferrabile: un fantasma. Milioni di queste particelle passano attraverso la materia ordinaria ogni secondo, senza essere notate. Tuttavia, l’interazione a livello subatomico dell’assione Qcd può lasciare segnali rilevabili in esperimenti caratterizzati da una sensibilità senza precedenti. Sebbene l’assione Qcd non sia mai stato rivelato direttamente, questo studio alimenta la motivazione dei fisici sperimentali che vogliono dare la caccia alla sfuggente particella.

«La versatilità dell’assione Qcd nel risolvere i misteri della fisica fondamentale è davvero sorprendente», osserva Co. «Siamo entusiasti delle possibilità teoriche inesplorate che questo nuovo aspetto dell’assione Qcd può offrire. Ancora più importante, gli esperimenti potrebbero presto dirci se i misteri della natura suggeriscono veramente l’esistenza dell’assione Qcd».

Harigaya e Co hanno affermato che l’assione Qcd è in grado di piazzare contemporaneamente ben tre pezzi mancanti del puzzle della fisica.

Innanzitutto, l’assione Qcd è stato originariamente proposto per spiegare la simmetria Cp nell’interazione forte, ossia perché la forza forte, che lega insieme protoni e neutroni, preserva la simmetria della carica e della parità, che si deduce dall’osservazione che un neutrone non reagisce in un campo elettrico, nonostante i suoi componenti siano dotati di carica.

In secondo luogo, si è scoperto che l’assione Qcd è un buon candidato per la materia oscura, rappresentando quello che potrebbe essere un importante passo avanti nella comprensione della composizione di circa l’80 per cento della massa dell’universo che non è mai stata osservata direttamente.

Layout concettuale di Iaxo. Crediti: Iaxo/Cern
Layout concettuale di Iaxo. Crediti: Iaxo/Cern

Infine, nel loro studio sull’universo primordiale, Harigaya e Co hanno determinato che l’assione Qcd è anche in grado di spiegare il problema dell’asimmetria materia-antimateria. Quando le particelle di materia e antimateria interagiscono, si annichilano reciprocamente. Nella prima frazione di secondo dopo il Big Bang, materia e antimateria esistevano in egual misura. Questa simmetria ha impedito il predominio di un tipo di materia sull’altro. Tuttavia oggi l’universo è pieno di materia, indicando che questa simmetria a un certo punto deve essere stata spezzata. Harigaya e Co suggeriscono che l’assione Qcd potrebbe essere il colpevole. L’energia cinetica, derivante dal moto dell’assione Qcd, potrebbe aver prodotto barioni supplementari o materia ordinaria. Questa leggera propensione a favore della materia avrebbe indotto, secondo loro, un pronunciato effetto a cascata, aprendo la strada all’universo così come oggi lo osserviamo.

Una maggiore comprensione delle dinamiche recentemente scoperte dell’assione Qcd potrebbe potenzialmente cambiare la nostra comprensione della storia dell’espansione dell’universo e dare informazioni alla ricerca delle onde gravitazionali. I futuri studi su questo argomento potrebbero anche fornire ulteriori approfondimenti su altre questioni di fisica fondamentale, come l’origine della piccola massa dei neutrini.

«Da quando i fisici delle particelle (teorici e sperimentali), gli astrofisici e i cosmologi hanno iniziato a studiare l’assione Qcd, sono stati compiuti grandi progressi», dice Harigaya. «Ci auguriamo che il nostro lavoro possa fare avanzare ulteriormente questa ricerca interdisciplinare».

Ma i nostri strumenti sono in grado di effettuare misure per trovare un riscontro all’ipotesi degli autori?

Media Inaf lo ha chiesto a Fabrizio Tavecchio, ricercatore all’Inaf – Osservatorio astronomico di Brera: «Un aspetto molto interessante dei risultati di Co e Harigaya è il fatto che lo scenario da loro proposto impone che la probabilità di interazione degli assioni con la materia sia relativamente elevata. In particolare, valori nell’intervallo proposto dagli autori saranno a breve accessibili a esperimenti come Iaxo (International Axion Observatory) – che vede una partecipazione di Inaf – attraverso cui si cercherà di rivelare assioni emessi dal Sole».

Per saperne di più: Leggi su Arxiv il preprint dell’articolo “Axiogenesis“, di Raymond T. Co, Keisuke Harigaya

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