LO STUDIO SU PHYSICAL REVIEW D

Inflatone leggero? Non pervenuto

Una recente analisi sui dati del decadimento del mesone B+ raccolti dall'esperimento LHCb al Large Hadron Collider del CERN sembra escludere che la particella ritenuta responsabile della fase di super espansione dell'universo nei primi istanti dopo il Big Bang, nota come inflazione, possa essere il 'fratello minore' del bosone di Higgs

Nei suoi primissimi istanti, l’universo dopo il Big Bang avrebbe attraversato un infinitesimo periodo di tempo, pari a circa un millesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo in cui si sarebbe espanso enormemente. Quanto? Circa un miliardo di miliardi di miliardi di volte. I cosmologi chiamano questa epoca Inflation, mentre in italiano questo termine è stato tradotto in modo non certo impeccabile col termine “inflazione”. Disquisizioni linguisitche a parte, per giustificare l’inflazione cosmica, le teorie che la descrivono devono prevedere la presenza – almeno in quell’epoca – di un campo di forza legato a una particella elementare finora sconosciuta e che gli scienziati hanno ribattezzato col nome di inflatone.

Sull’identikit di questo inflatone e sulle sue proprietà fondamentali i fisici hanno discusso ampiamente e avanzato nel tempo varie ipotesi. Una tra le più accreditate propone una particella dalle caratteristiche simili a quelle del bosone di Higgs, ma decisamente più leggera. Dalla teoria alla pratica, un gruppo di ricercatori dell’Istituto per la Fisica Nuclare dell’Accademia delle Scienze Polacca a Cracovia (IFJ PAN) e dell’Università di Zurigo è andato alla caccia di possibili tracce legate agli inflatoni, analizzando i dati dei decadimenti dei mesoni B+ registrati dai rivelatori dell’esperimento LHCb, nel tempio della fisica sperimentale contemporanea, ovvero al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, vicino Ginevra. I risultati delle indagini hanno però sollevato forti dubbi sulla esistenza di questo tipo di particella.

UNA QUESTIONE DI GRAVITA’

Pur avendo effetti deboli, la gravità gioca un ruolo determinante nel governare la struttura a grande scala dell’universo. Per questo motivo, tutti i moderni modelli cosmologici affondano le loro basi in quella che ad oggi è la sua migliore descrizione a disposizione, ovvero la teoria della relatività generale di Albert Einstein. Già i primi modelli cosmologici ad essa legati ipotizzavano che l’universo fosse una struttura dinamica. Oggi sappiamo che in passato l’universo si è trovato in una fase estremamente densa e calda, e circa 13,6 miliardi di anni fa ha improvvisamente cominciato ad espandersi. La teoria della relatività fornisce predizioni sull’andamento di questo processo, a partire da qualche frazione di secondo dopo il Big Bang.

«Una delle più remote tracce di questi formidabili eventi è la radiazione di fondo a microonde che si è formata qualche centinaio di migliaio di anni dopo il Big Bang, che oggi possiede una temperatura di circa 2,7 gradi Kelvin e permea in modo uniforme l’intero universo. È proprio questa omogeneità che si è rivelata un grande enigma», spiega Marcin Chrzaszcz dell’istituto IFJ PAN che ha partecipato allo studio, pubblicato sulla rivista Physical Review D. «Quando guardiamo nel cielo, le più remote regioni dello spazio visibili in una direzione possono essere così lontane da quelle che osserviamo in un’altra direzione che perfino la luce non ha ancora avuto il tempo di attraversarle entrambe. Quindi nulla di quello che è accaduto in una di queste aree dovrebbe interferire sull’altra. Tuttavia, ovunque guardiamo, la temperatura delle regioni lontane del cosmo è praticamente sempre la stessa. Come ha potuto diventare così uniforme?»

ARRIVA L’INFLAZIONE. MA DOV’E’ L’INFLATONE?

La risposta a questa domanda l’ha fornita, appunto, il modello cosmologico che invoca l’inflazione: dopo una fase di crescita graduale e costante, l’universo ha attraversato un periodo molto breve ma estremamente rapido di espansione dello spazio-tempo. Il nuovo campo di forza che deve aver sostenuto l’inflazione ha dilatato l’universo in modo tale da donargli una notevole uniformità, almeno per quanto riguarda il parametro legato alla temperatura della radiazione di fondo cosmico. Chiamare in causa un nuovo campo di forza implica necessariamente considerare anche una particella a cui sono associati gli effetti tangibili. Il bosone di Higgs, inizialmente indiziato, si è rivelato troppo pesante per poter giustificare l’universo che osserviamo oggi.

Ai fisici non è quindi rimasto che ripensare le caratteristiche dell’elusivo inflatone: una particella completamente nuova, che eredita le proprietà del bosone di Higgs, ma dotata di una massa nettamente minore. «La massa del nuovo inflatone potrebbe essere abbastanza piccola per far apparire la particella nel decadimento dei mesoni B+ e questi mesoni Beauty sono particelle registrate in grande numero dall’esperimento LHCb presso il Large Hadron Collider. Così abbiamo deciso di cercare nei dati raccolti da LHC tra il 2011 e il 2012 i decadimenti dei mesoni che potevano avvenire tramite l’interazione con gli inflatoni», aggiunge Andrea Mauri, dell’Università di Zurigo, che ha partecipato alle indagini.

Se gli inflatoni leggeri effettivamente esistessero, il mesone B+ a volte decaderebbe in un kaone (un mesone K+) e una particella di Higgs, che poi si trasformerebbe in un inflatone come risultato dell’oscillazione quantistica ammessa per quel tipo di particella. «A seconda del parametro che descrive la frequenza dell’oscillazione tra gli stati del bosone di Higgs e dell’inflatone, il destino del decadimento del mesone B+ dovrebbe risultare leggermente diverso. Nella nostra analisi abbiamo cercato decadimenti fino al 99 per cento dei possibili valori che può raggiungere questo parametro.  E non abbiamo trovato nulla. Possiamo quindi affermare con grande sicurezza che l’inflatone leggero semplicemente non esiste» conclude Chrzaszcz. In teoria, le tracce rivelatrici di quella particella potrebbero nascondersi nel rimanente uno per cento di valori che non sono stati presi in considerazione. Anche questa piccola incertezza potrà essere definitivamente eliminata dalle future analisi che sfrutteranno i nuovi dati in corso di acquisizione ad LHC.

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