Chiunque conosca i fondamenti della cosmologia sa che l’esistenza del nostro universo, dominato dalla materia, è legata a una microscopica ma fondamentale anomalia primordiale. Se il Big Bang avesse prodotto materia e antimateria in quantità perfettamente simmetriche, queste si sarebbero annichilate a vicenda durante l’espansione, lasciando un cosmo pervaso solo da radiazione.
Il meccanismo esatto che ha originato questa asimmetria materia-antimateria è tuttora uno dei grandi problemi irrisolti della fisica delle particelle. Uno studio prodotto dall’Università di Southampton (Regno Unito) e pubblicato il mese scorso su Physical Review Letters, mostra una possibile teoria che risolva l’interrogativo.
Rappresentazione artistica del neutrino pesante ipotizzato nell’articolo di Rishav Roshan e Sudipta Show. Crediti: Media Inaf/Gemini AI
Una delle cornici teoriche più solide affonda le radici in un’estensione del modello standard nota come meccanismo seesaw di tipo I, formulato originariamente per spiegare le masse infinitesime dei neutrini che osserviamo oggi. Questo modello prevede l’esistenza di tre neutrini destrorsi, particelle primordiali estremamente massive. Di questi tre, i fisici hanno storicamente concentrato le loro analisi fenomenologiche solo sui due più leggeri, trascurando sistematicamente il terzo e più pesante ritenendo le sue interazioni troppo deboli per influenzare in modo significativo l’evoluzione cosmologica.
Questo studio mostra, tuttavia, che ignorare questo terzo neutrino rappresenta una grave omissione. Proprio a causa delle sue interazioni quasi inesistenti con il plasma primordiale, questa particella massiccia risulta avere un tempo di vita eccezionalmente lungo. Sopravvivendo mentre l’universo si raffreddava, la sua densità di energia ha finito per comportarsi come materia in uno spazio-tempo ancora dominato dalla radiazione. Il risultato è l’innesco di una temporanea ma cruciale epoca di dominazione della materia, che ha alterato profondamente il tasso di espansione del cosmo primordiale.
Modificare il ritmo di espansione dello spazio significa alterare la termodinamica delle particelle al suo interno. Nello specifico, lo studio rivela che questo freno cosmico genera un ritardo sostanziale nel momento in cui i costituenti fondamentali (leptoni) stabilizzano le loro interazioni reciproche. In termini pratici, l’alterazione del ritmo espansivo cambia le temperature a cui queste particelle si separano assumendo identità distinte (elettrone, muone, tauone), costringendo i fisici a ricalcolare le dinamiche della leptogenesi termica, ovvero il processo asimmetrico di decadimento che ha permesso alla materia di prevalere.
«Questo neutrino pesante, ormai disaccoppiato, è stato a lungo considerato un dettaglio di sfondo irrilevante nella fisica delle particelle», spiega Rishav Roshan, primo autore dello studio. «Tuttavia, sopravvivendo abbastanza a lungo, esso è arrivato a costituire la frazione principale della densità di energia dell’universo, alterandone l’evoluzione».
Il modello teorico, inoltre, offre previsioni precise e falsificabili. Per innescare questa specifica catena di eventi e giustificare l’asimmetria osservata, le equazioni impongono che il neutrino attivo più leggero debba avere una massa esatta compresa tra 10-12 e 10-14 eV. Si tratta di un limite che potrà essere esplorato e potenzialmente confermato da esperimenti attivi di altissima precisione, come Katrin o la collaborazione Project 8.
Inoltre, il rallentamento dell’espansione e la successiva iniezione di entropia dovuta al decadimento di questo neutrino avrebbero lasciato firme indelebili nello spazio-tempo. Queste anomalie sarebbero oggi rilevabili come perturbazioni nello spettro delle onde gravitazionali primordiali, fornendo un canale diretto per osservare i primi istanti dopo il Big Bang.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Delayed Charged Lepton Yukawa Equilibration in Minimal Seesaw”, di Rishav Roshan e Sudipta Show