Credit: NANOGrav/T. Klein

La collaborazione NANOGrav ha recentemente catturato i primi segni di onde gravitazionali a bassissima frequenza. Il Prof. Pedro Schwaller e Wolfram Ratzinger hanno analizzato i dati e, in particolare, hanno considerato la possibilità che questo possa indicare una nuova fisica oltre il Modello Standard. In un articolo pubblicato sulla rivista SciPost Physics, riferiscono che il segnale è coerente sia con una transizione di fase nell’universo primordiale sia con la presenza di un campo di particelle estremamente leggere axion-like (ALPs). Queste ultime sono considerate come promettenti candidati per la materia oscura.

Le onde gravitazionali aprono una finestra sull’universo primordiale. Mentre l’onnipresente fondo cosmico a microonde non fornisce indizi sui primi 300.000 anni del nostro universo, essi forniscono alcuni scorci di ciò che è accaduto durante il Big Bang. “È proprio questo universo primordiale che è così eccitante per i fisici delle particelle“, spiega Pedro Schwaller, professore di fisica teorica presso il cluster di eccellenza PRISMA+ dell’Università Johannes Gutenberg di Mainz (JGU). “Questo è il momento in cui le particelle elementari come i quark e i gluoni sono presenti, e poi si combinano per formare i mattoni dei nuclei atomici“.

La particolarità delle onde gravitazionali che la Collaborazione NANOGrav ha rilevato per la prima volta è che hanno una frequenza molto bassa di 10-8 Hertz, che equivale a circa un’oscillazione all’anno. A causa della loro lunghezza d’onda corrispondentemente grande, per rilevarle qualsiasi rivelatore dovrebbe essere altrettanto grande. Poiché un tale rivelatore non è possibile qui sulla Terra, gli astronomi di NANOGrav usano pulsar lontane e i loro segnali luminosi come enormi rivelatori.

Wolfram Ratzinger delinea la motivazione dietro il loro lavoro: “Anche se finora i dati ci forniscono solo un primo indizio dell’esistenza di onde gravitazionali a bassa frequenza, è ancora molto eccitante per noi lavorare con esse. Questo perché tali onde potrebbero essere prodotte da vari processi avvenuti nell’universo primordiale. Ora possiamo usare i dati che abbiamo già per decidere, quali di questi entrano in considerazione e quali non si adattano affatto ai dati”.

Di conseguenza, gli scienziati di Magonza hanno deciso di dare uno sguardo particolarmente attento a due scenari che potrebbero aver causato le onde gravitazionali osservate: Transizioni di fase nell’universo primordiale e un campo di materia oscura di particelle estremamente leggere axion-like (ALPs). Le transizioni di fase come queste si verificano a causa della caduta della temperatura nel brodo primordiale dopo il Big Bang e risultano in turbolenze massicce – tuttavia, come la materia oscura non sono coperte dal Modello Standard.

Sulla base dei dati disponibili, Pedro Schwaller e Wolfram Ratzinger interpretano i risultati della loro analisi con relativa cautela: “Forse leggermente più probabile è lo scenario di transizione di fase precoce”. D’altra parte, i due fisici credono che il fatto di essere in grado di elaborare alcune possibilità basate solo su dati limitati dimostra il potenziale del loro approccio. “Il nostro lavoro è un primo, ma importante sviluppo – ci dà molta fiducia che con dati più precisi possiamo trarre conclusioni affidabili sul messaggio che le onde gravitazionali ci stanno inviando dall’universo primordiale.”

“Inoltre”, conclude Pedro Schwaller, “possiamo già iniziare ad individuare alcune caratteristiche degli scenari e porre dei vincoli, nel nostro caso la forza della transizione di fase e la massa degli assoni”.

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