Introduzione

Potrebbero esserci delle crepe nell’universo, ma non possiamo vederle dalla Terra; tuttavia non si smette di cercare. Una nuova ricerca, i cui risultati sono stati pubblicati il 18 novembre su arXiv e, quindi, non ancora sottoposto a revisione paritaria, ricorre ad un nuovo metodo per la caccia alle stringhe cosmiche. Ecco i dettagli.

Transizione di fase e stringhe cosmiche

Potrebbero esserci delle crepe nello spazio-tempo, ma i nostri telescopi non sono ancora in grado di vederle. Queste crepe, se esistono, sono vecchi resti creatisi qualche istante dopo il Big Bang, quando l’universo era appena passato da uno stato più caldo ad uno più freddo e familiare che vediamo oggi. Quel periodo di grande raffreddamento, che i fisici denominano “transizione di fase“, secondo i teorici, è iniziata prima in alcuni luoghi rispetto ad altri. Bolle di universo più freddo si formarono e si diffusero ovunque. 

Ma quel vecchio stato ad alta energia avrebbe potuto sopravvivere ai confini tra le bolle, andando a creare delle crepe nel tessuto dello spazio-tempo in cui quelle regioni in rapido raffreddamento si incontravano ma non riuscivano ad unirsi, fondersi perfettamente. Alcuni fisici pensavano che potremmo ancora vedere prove di quelle crepe o difetti – noti come “stringhe cosmiche” – nella radiazione cosmica di fondo (CMB). 

Crepe nei ghiacci

Secondo un nuovo studio, quelle tracce sarebbero troppo deboli per essere individuate da qualsiasi telescopio moderno. Uno dei coatori, Oscar Hernández, fisico della McGill University di Montreal, in una interivsta rilasciata a Live Science afferma che le stringhe cosmiche sono oggetti difficili da immaginare, una analogia è possibile farla con il ghiaccio. “Hai camminato su un lago ghiacciato? Hai notato crepe che si intrecciano attraverso il ghiaccio sulla superficie del lago? È ancora abbastanza solido. Non c’è nulla di cui aver paura, ma ci sono crepe“.

Queste crepe si formano attraverso un processo di transizione di fase simile a quello delle stringhe cosmiche. “Il ghiaccio è l’acqua che ha attraversato una transizione di fase“, ha detto. “Le molecole d’acqua sono libere di muoversi come un fluido, e poi all’improvviso, da qualche parte, iniziano a formarsi in cristalli…inizia a tessere se stessa in piastrelle, che sono [spesso] esagoni. Ora, immagina di avere piastrelle che sono esagoni perfetti e piastrellano [il lago] con quello. Se qualcuno dall’altra parte del lago fa lo stesso, non c’è praticamente nessuna possibilità che, incontrandosi, le tue tessere si allineino con quelle dell’altra persona.

I punti di incontro imperfetti sulla superficie di un lago ghiacciato formano lunghe crepe. Ora, se la fisica alla base è corretta nel tessuto in cui spazio e tempo si intersecano, formano stringhe cosmiche.

I campi

Nello spazio, credono i ricercatori, ci sono campi che determinano il comportamento di forze e particelle fondamentali. Le prime transizioni di fase dell’universo hanno portato alla nascita di questi campi.

Potrebbe esserci un campo relativo a qualche particella che deve, in un certo senso,” scegliere una direzione per congelare e raffreddare “. E poiché l’universo è davvero grande, potrebbe scegliere direzioni diverse in diverse parti dell’universo “, ha detto. “Ora, se questo campo obbedisce a determinate condizioni … allora quando l’universo si sarà raffreddato ci saranno linee di discontinuità, ci saranno linee di energia che non possono raffreddarsi.

Oggi quei punti di incontro apparirebbero come linee di energia infinitamente sottili attraverso lo spazio. Trovare quelle stringhe cosmiche sarebbe un grosso problema perché sarebbero un’altra prova che la fisica è più grande e più complicata di quanto permetta l’attuale modello, ha detto Hernández.

Il Modello Standard

In questo momento, la teoria più avanzata della fisica delle particelle, che i ricercatori ritengono sia stata definitivamente dimostrata, è conosciuta come il Modello standard. Include i quark e gli elettroni che compongono gli atomi, nonché particelle più esotiche come il bosone di Higgs e i neutrini . 

La maggior parte dei fisici, tuttavia, ritiene che il Modello standard sia incompleto. Varie sono state le teorie per cercare di completarlo: dalle particelle supersimmetriche (cioè, “stau slepton“) alla teoria delle superstringhe – l’idea che tutte le particelle e le forze possano essere spiegate come vibrazioni di piccoli “stringhe” multidimensionali (beninteso che le “stringhe” della teoria delle superstringhe non sono altra cosa rispetto le “stringhe cosmiche“).

Molte estensioni del Modello Standard che piacciono a gran parte delle persone – come quelle sulle superstringh – portano naturalmente a stringhe cosmiche dopo che l’inflazione [post-Big Bang] ha avuto luogo“, ha detto Hernández. “Pertanto, quello che abbiamo è un oggetto previsto da moltissimi modelli, quindi se non esistono allora tutti questi modelli dovrano essere esclusi. Mentre se esistono, le persone ssaranno felici“.

Rete neurale convoluzionale

Dal 2017 ad oggi, ci sono stati molti tentativi di individuare stringhe nella radiazione cosmica di fondo (CMB). Hernández, insieme a Razvan Ciuca del Marianopolis College di Westmount, nel Quebec, in passato aveva sostenuto che una rete neurale convoluzionale – un potente tipo di software per la ricerca di schemi – sarebbe lo strumento migliore per individuare prove delle stringhe nel CMB.

Supponendo una mappa perfetta e senza il rumore della CMB, hanno scritto in un documento risalente al 2017, un computer che gestisce quel tipo di rete neurale dovrebbe essere in grado di trovare stringhe cosmiche anche se i loro livelli di energia (o “tensione”) sono notevolmente bassi.

Ma rivisitando l’argomento nel nuovo documento del 2019, hanno dimostrato che in realtà è quasi certamente impossibile fornire dati CMB abbastanza puliti affinché la rete neurale POSSA rilevare queste potenziali stringhe.

Altre fonti di microonde più luminose oscurano il CMB e sono difficili da filtrare completamente. Anche i migliori strumenti a microonde sono imperfetti, con una risoluzione limitata e fluttuazioni casuali nella loro precisione di registrazione da un pixel all’altro.

I due ricercatori hanno scoperto che tutti questi fattori si sommano a un livello di perdita di informazioni che nessun metodo attuale o pianificato di registrazione e analisi della CMB sarà mai in grado di superare. Questo metodo di caccia alle stringhe cosmiche è, secondo loro, un vicolo cieco, ma, come hanno aggiunto, non tutto è perduto.

Un nuovo metodo

Un nuovo metodo per la caccia alle stringhe cosmiche si basa sulle misurazioni dell’espansione dell’universo in tutte le direzioni partendo dalle parti antiche dell’universo.

Questo metodo – chiamato mappatura dell’intensità di 21 centimetri – non si basa sullo studio dei movimenti delle singole galassie o su immagini precise della CMB, spiega Hernández, bensì, si fonda su misurazioni della velocità con cui gli atomi di idrogeno si stanno allontanando dalla Terra, in media, in tutte le zone dello spazio profondo.

I migliori osservatori per la mappatura di 21 cm (così chiamato perché l’idrogeno emette energia elettromagnetica con una lunghezza d’onda caratteristica di 21 cm) non sono ancora online. Ma quando saranno operativi, scrivono gli autori, c’è la speranza di avere prove più chiare dell’esistenza delle stringhe cosmiche.

Citazioni e Approfondimenti