COMPONENTI OSCURE ALL’ORIGINE DI UNA VIOLAZIONE DI PARITÀ

Indizi di una nuova fisica nei dati di Planck

Un nuovo metodo per la misura dell’angolo di polarizzazione della radiazione di fondo cosmico a microonde rilevata dal telescopio spaziale Planck dell’Esa ha consentito a due fisici giapponesi, Yuto Minami e Eiichiro Komatsu, di trovare un possibile segnale di violazione di parità dovuta alla materia oscura o all’energia oscura. Per una conferma occorreranno però ulteriori misure

     27/11/2020
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Mentre la luce del fondo cosmico a microonde emessa 13,8 miliardi di anni fa (immagine a sinistra) viaggia nell’universo fino a quando non viene osservata dai rivelatori di Planck (immagine a destra), la direzione in cui oscilla l’onda elettromagnetica (linea arancione) viene ruotata di un angolo beta. La rotazione potrebbe essere causata dalla materia oscura – o dall’energia oscura – che interagisce con la luce del fondo cosmico a microonde, che cambia il pattern di polarizzazione (linee nere). Le regioni rosse e blu indicano rispettivamente regioni calde e fredde del fondo cosmico a microonde. Crediti: Y. Minami / KekApplicando un nuovo metodo per misurare l’angolo di polarizzazione della Cmb (cosmic microwave background), il fondo cosmico a microonde, due fisici giapponesi sono giunti a concludere che la materia oscura, o forse l’energia oscura, causino una violazione della cosiddetta simmetria di parità – quella simmetria in base alla quale l’elettromagnetismo, per esempio, dovrebbe comportarsi allo stesso modo indipendentemente dal fatto che ci si trovi nel sistema originale o in un sistema speculare in cui tutte le coordinate spaziali siano state capovolte.

Il fondo cosmico a microonde – la luce degli albori, la radiazione fossile emessa 380mila anni dopo il Big Bang, alla fine dell’epoca della ricombinazione – era luce polarizzata dalla dispersione (lo scattering) dovuta agli elettroni. Nei 13.8 miliardi di anni successivi, scrivono gli autori dello studio pubblicato lunedì scorso su Physical Review Letters, l’interazione della Cmb con la materia o l’energia oscura potrebbe aver ruotato il piano di polarizzazione della stessa Cmb di un angolo beta, come rappresentato nell’immagine qui a fianco. E sarebbe proprio questo sfasamento angolare, se presente, il possibile indizio sperimentale di una violazione di parità.

«Se la materia oscura o l’energia oscura interagiscono con la luce del fondo cosmico a microonde in un modo che viola la simmetria di parità, possiamo trovare la sua firma nei dati di polarizzazione», dice infatti il primo autore, Yuto Minami, borsista postdoc all’Institute of Particle and Nuclear Studies del Kek, a Tsukuba (Giappone).

Il problema di quest’ipotesi, dal punto di vista sperimentale, è che misurare con precisione lo sfasamento angolare è tutt’altro che semplice. I dati in polarizzazione del telescopio spaziale Planck dell’Esa, presentati nel 2018, sarebbero adeguati a questo scopo, se non fosse che risentono di un’incertezza sistematica per quanto riguarda il valore assoluto degli angoli di polarizzazione. In particolare, senza sapere con sufficiente precisione come siano orientati rispetto al cielo i rivelatori sensibili alla polarizzazione di Planck, si rischia d’introdurre una sorta di “rotazione artificiale” nella misura dell’angolo di polarizzazione cosmica beta. Ma Minami e il suo collega, Eiichiro Komatsu, hanno escogitato un sistema per aggirare quest’incertezza.

«Abbiamo sviluppato un nuovo metodo che ci consente di determinare l’entità della rotazione artificiale utilizzando la luce polarizzata emessa dalla polvere della Via Lattea», spiega Minami. «Con questo metodo, abbiamo raggiunto una precisione doppia rispetto a quella ottenuta in precedenza, riuscendo così finalmente a misurare l’angolo beta».

In pratica, i due scienziati hanno usato la polarizzazione della polvere presente nella Via Lattea come una sorta di calibratore, avvalendosi del fatto che la distanza percorsa dalla luce emessa dalla polvere è molto più breve di quella percorsa dal fondo cosmico a microonde. Ciò implica che l’emissione della polvere non è influenzata dalla materia oscura o dall’energia oscura. L’angolo di sfasamento beta, dunque, è presente solo nella luce del fondo cosmico a microonde. La rotazione artificiale dovuta ai rivelatori, al contrario, influenza entrambe le sorgenti. La differenza fra l’angolo di polarizzazione misurato per la polvere e quello misurato per la Cmb può quindi essere utilizzata per calcolare beta. Il risultato è pari a 0.35±0.14 gradi, con un livello di confidenza del 68 per cento. Ciò significa che si può escludere che l’angolo beta sia pari a zero – e dunque si può ritenere che ci sia violazione di parità dovuta alla materia oscura o all’energia oscura – con un livello di confidenza, questa volta, del 99.2 per cento.

È presto per buttare via i libri di fisica, o anche solo per mettere mano a Wikipedia. Un livello di confidenza del 99.2 per cento può infatti sembrare elevato, ma in realtà non arriva nemmeno a tre sigma, quando l’asticella da valicare affinché una scoperta possa dire d’aver superato l’esame di validità statistica, in campo fisico, è tradizionalmente posta a cinque sigma. Ma il 99.2 per cento è comunque un livello sufficiente sia per meritare la pubblicazione su Physical Review Letters (con tanto di “Editors’ Suggestion”, l’ambito timbro di “consigliato ai lettori”) sia per confermare – se mai ce ne fosse ancora bisogno, dopo quel che è accaduto con Bicep2  – che l’obiettivo principale della cosmologia osservativa è oggi quello di ottenere misure il più possibile precise e pulite della polarizzazione del fondo cosmico microonde.

Per saperne di più:

Correzione del 27.11.2020: la Cmb risale non a 380mila anni fa ma a 380mila anni dopo il Big Bang