Fig 1: L'inflazione ha esteso l'universo microscopico iniziale a dimensioni macroscopiche e ha trasformato l'energia cosmica in materia. Tuttavia, probabilmente ha creato una quantità uguale di materia e antimateria prevedendo il completo annientamento del nostro universo. Gli autori discutono della possibilità che una transizione di fase dopo l'inflazione abbia portato a un piccolo squilibrio tra la quantità di materia e l'antimateria, in modo che una parte di materia potesse sopravvivere ad un annichilazione quasi completa. Una simile transizione di fase probabilmente porterà a una rete di oggetti simili a "elastici" chiamati stringhe cosmiche, che produrrebbe increspature dello spazio-tempo note come onde gravitazionali. Queste onde che si propagano possono attraversare l'Universo caldo e denso e raggiungerci oggi, 13,8 miliardi di anni dopo la transizione di fase. Tali onde gravitazionali possono, molto probabilmente, essere scoperte da esperimenti attuali e futuri. (Credits originale: R. Hurt / Caltech-JPL, NASA e credito ESA: Kavli IPMU - Kavli IPMU ha modificato questa cifra in base all'immagine accreditata da R. Hurt / Caltech-JPL, NASA ed ESA)

Introduzione

Un nuovo studio, condotto da un team internazionale di ricercatori, spiega che le increspature dello spazio-tempo scoperte di recente, chiamate onde gravitazionali, potrebbero contenere prove per dimostrare la teoria secondo cui la vita è sopravvissuta al Big Bang a causa di una transizione di fase che ha permesso alle particelle di neutrini di rimescolare la materia e l’antimateria.

Salvati da un completo annientamento

Il modo in cui siamo stati salvati da un completo annientamento non è una questione di fantascienza o di film di Hollywood. Secondo la teoria del Big Bang della cosmologia moderna, la materia è stata creata con una uguale quantità di antimateria. Se fosse rimasto così, la materia e l’antimateria avrebbero dovuto eventualmente incontrarsi e annientarsi uno a uno, portando a un completo annientamento.

Ma la nostra esistenza contraddice questa teoria. Per superare un completo annientamento, l’Universo deve aver trasformato una piccola quantità di antimateria in materia creando uno squilibrio tra di loro. Lo squilibrio necessario è solo una parte in un miliardo. Ma è rimasto un mistero completo il quando e il come è stato creato questo squilibrio.

L’universo diventa opaco alla luce quando guardiamo indietro a circa un milione di anni dopo la sua nascita. Questo pone la domanda fondamentale del “perché siamo qui?” a cui è difficile rispondere“, afferma Jeff Dror, co-autore dell’articolo, Phd presso l’Università della California, Berkeley e ricercatore di fisica presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.

Poiché materia e antimateria hanno cariche elettriche opposte, non possono trasformarsi l’una nell’altra, a meno che non siano elettricamente neutre. I neutrini sono le uniche particelle elementari di materia che conosciamo elettricamente neutre, e pertanto sono i candidati migliori per generare questo sbilanciamento. Una teoria che molti ricercatori sostengono è che l’universo abbia attraversato una transizione di fase che ha permesso ai neutrini di cambiare l’equilibrio tra materia e antimateria.

Una transizione di fase è quella che si ha, ad esempio, quando l’acqua bollente diventa vapore o quando l’acqua a basse temperature diventa ghiaccio. Il comportamento della materia cambia in corrispondenza a temperature specifiche chiamate temperature critiche. Quando un determinato metallo viene raffreddato a una bassa temperatura, perde completamente la resistenza elettrica attraverso una transizione di fase, diventando un superconduttore. I superconduttori sono alla base della tomografia a risonanza magnetica (Mri) per la diagnosi del cancro o dei treni a levitazione magnetica (tecnologia Maglev). Proprio come un superconduttore, la transizione di fase avvenuta nell’universo primordiale potrebbe aver creato un canale molto sottile di campi magnetici chiamati stringhe cosmiche“, spiega il coautore Hitoshi Murayama, professore di fisica presso Berkeley, Università della California, principal investigator presso il Kavli Institute for Physics and Mathematics of the Universe e scienziato del Lawrence Berkeley National Laboratory.

Stringhe cosmiche e osccilazzioni spazio-tempo

Dror e Murayama fanno parte di un team di ricercatori provenienti dal Giappone, Stati Uniti e Canada che credono che le stringhe cosmiche portino a piccole oscillazioni dello spazio-tempo – le onde gravitazionali – che potrebbero essere rilevate da futuri osservatori spaziali – come LisaBbo (il Big Bang Observatory dell’Esa) o Decigo (il Deci-hertz Interferometer Gravitational wave Observatory della Jaxa) – per quasi tutte le possibili temperature critiche.

La recente scoperta delle onde gravitazionali apre una nuova finestra per guardare più indietro nel tempo, poiché fin dall’inizio l’universo è trasparente alla gravità. Quando l’universo era da migliaia a milioni di miliardi di volte più caldo del luogo più caldo dell’universo attuale, è probabile che i neutrini si siano comportati in modo tale da garantire la nostra sopravvivenza. Abbiamo dimostrato che potrebbero aver lasciato un fondo di onde gravitazionali rilevabili per farcelo sapere“, dice il co-autore Graham White, membro presso il TRIUMF.

Le stringhe cosmiche erano un tempo popolari per creare piccole variazioni nelle densità di massa che alla fine diventavano stelle e galassie, tuttavia i dati recenti hanno escluso questa idea. Ora con il nostro lavoro, l’idea ritorna per una ragione diversa. Questo è eccitante! ”Afferma Takashi Hiramatsu, borsista post-dottorato presso l’Institute for Cosmic Ray Research, Università di Tokyo, che gestisce gli esperimenti del rivelatore di onde gravitazionali in Giappone KAGRA e Hyper-Kamiokande.

L’onda gravitazionale da stringhe cosmiche ha uno spettro molto diverso dalle fonti astrofisiche come ad esempio quella della fusione dei buchi neri. È abbastanza plausibile ritenere che saremo completamente convinti che la fonte siano in effetti le stringhe cosmiche“, afferma Kazunori Kohri, professore associato presso il Centro di teoria dell’organizzazione di ricerca sull’acceleratore di alta energia in Giappone.

Sarebbe davvero emozionante sapere il perché esistiamo“, afferma Murayama. “Questa è la domanda più importante della scienza“.

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