L’ipotesi che a scagliare attraverso il cosmo quello che avevamo chiamato “il neutrino di Portopalo” possa essere stata l’esplosione di un buco nero primordiale, già presentata lo scorso settembre da due fisici del Mit, torna in questi giorni a trovare sostenitori tra i fisici del New England: è stato infatti accettato per la pubblicazione, sempre su Physical Review Letters, un nuovo articolo sull’argomento, firmato questa volta da quattro ricercatori della University of Massachusetts ad Amherst. Non più però “semplici” buchi neri primordiali, bensì d’un tipo “quasi estremo” (o più propriamente estremale): quasi-extremal primordial black hole, li hanno infatti chiamati. Se mai ne fosse confermata l’esistenza, sostengono gli autori dello studio, potrebbero non solo spiegare l’incredibile energia del neutrino di Portopalo ma anche chiarire il mistero della materia oscura.
Rappresentazione artistica di piccoli buchi neri primordiali. In realtà, buchi neri così piccoli avrebbero difficoltà a formare i dischi di accrescimento che qui li rendono visibili. Crediti : Nasa’s Goddard Space Flight Center
Torniamo dunque al celebre neutrino intercettato il 13 febbraio 2023 nelle profondità del Mediterraneo dai rivelatori sottomarini dell’esperimento Km3Net: le stime dicono che avesse un’energia superiore ai 100 PeV. Un valore ritenuto pressoché impossibile: per quanto ne sappiamo, non esistono nell’universo acceleratori naturali in grado di raggiungere livelli di energia così elevati, centomila volte superiori a quelli della particella più energetica mai prodotta dal Large Hadron Collider, l’acceleratore di particelle più potente al mondo.
È dunque comprensibile che si facciano scendere in campo potenziali sorgenti per ora solo ipotizzate, come appunto i buchi neri primordiali. Buchi neri che, a differenza di quelli stellari che ben conosciamo, non avrebbero origine dal collasso di una stella massiccia bensì dalle condizioni primordiali dell’universo, dunque subito dopo il Big Bang. Come i loro cugini standard, i buchi neri primordiali – la cui esistenza, ribadiamo, è per ora solo teorica – sono massicci al punto che quasi nulla può sfuggirvi, nemmeno la luce. Nonostante la loro densità, però, potrebbero essere molto più leggeri dei buchi neri che abbiamo osservato finora. Non è un dettaglio irrilevante: proprio la loro leggerezza fa sì che, attraverso il meccanismo d’emissione di particelle noto come radiazione di Hawking, questi buchi neri possano evaporare in tempi incomparabilmente più brevi rispetto ai loro colleghi standard, che per consumarsi richiederebbero un numero di anni con oltre sessanta cifre, dunque assai superiore all’età dell’universo.
«Più leggero è un buco nero, più caldo dovrebbe essere e più particelle emetterà», spiega Andrea Thamm della UMass Amherst, coautrice del nuovo studio. «Man mano che i buchi neri primordiali evaporano, diventano sempre più leggeri e quindi più caldi, emettendo ancora più radiazioni e innescando così un processo incontrollabile fino all’esplosione». Il team della UMass Amherst ha già dimostrato che tali esplosioni potrebbero verificarsi con una frequenza sorprendente, circa una ogni dieci anni. Esplosioni che gli attuali strumenti per l’osservazione del cosmo potrebbero già essere in grado di registrare.
È quel che potrebbe essere accaduto con la rilevazione del neutrino di Portopalo. C’è però almeno un problema: come mai solo Km3Net ha visto qualcosa? Dall’altra parte del mondo, sotto i ghiacci del Polo Sud, l’esperimento IceCube, anch’esso progettato per catturare neutrini cosmici ad alta energia, non solo in quell’occasione non ha registrato alcun evento, ma più in generale non ha mai rilevato nulla che avesse anche solo un centesimo della sua potenza. Se l’universo è relativamente denso di buchi neri primordiali, e questi esplodono con la frequenza ipotizzata dai ricercatori, non dovremmo essere inondati da neutrini ad alta energia? Come si spiega questa discrepanza? È qui che entra in gioco l’aggettivo quasi estremo citato poc’anzi, a indicare buchi neri primordiali caratterizzati da una significativa “carica oscura” – dark charge, in inglese.
«Riteniamo che i buchi neri primordiali con una “carica oscura” – quelli che chiamiamo quasi-extremal primordial black holes – siano l’anello mancante», dice uno dei coautori dello studio, Joaquim Iguaz Juan, della UMass Amherst. Indicando con il termine carica oscura qualcosa di analogo alla forza elettrica che ben conosciamo, ma con una differenza: al posto dei comuni elettroni ci sarebbero particelle ipotetiche molto più pesanti chiamate dagli autori dello studio dark electrons – elettroni oscuri.
In una popolazione di buchi neri primordiali con questa carica oscura, e dunque perlopiù in uno stato quasi estremo, l’emissione di neutrini a 1 PeV (come quelli che è in grado di rilevare IceCube) potrebbe venire soppressa in misura maggiore di quella a 100 PeV. Insomma, si spiegherebbe perché Km3Net ha visto qualcosa mentre altri rivelatori, come IceCube e Lhaaso, non hanno registrato niente. Non solo: questi buchi neri primordiali quasi estremi – si ribadisce nell’ultima riga dell’abstract del nuovo articolo – potrebbero costituire tutta la materia oscura osservata nell’universo.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Explaining the PeV neutrino fluxes at KM3NeT and IceCube with quasiextremal primordial black holes”, di Michael J. Baker, Joaquim Iguaz Juan, Aidan Symons e Andrea Thamm