Cos'è la materia oscura? Quasi le cose complicate: cos'è la materia oscura e dove cercarla

Un costrutto teorico in fisica chiamato Modello Standard descrive le interazioni di tutti noto alla scienza particelle elementari. Ma questo è solo il 5% della materia esistente nell'Universo, il restante 95% ne è assolutamente costituito natura sconosciuta. Cos’è questa ipotetica materia oscura e come stanno cercando di rilevarla gli scienziati? Hayk Hakobyan, studente del MIPT e dipendente del Dipartimento di Fisica e Astrofisica, ne parla nell'ambito di un progetto speciale.

Il Modello Standard delle particelle elementari, finalmente confermato dopo la scoperta del bosone di Higgs, descrive le interazioni fondamentali (elettrodeboli e forti) delle particelle ordinarie che conosciamo: leptoni, quark e trasportatori di forza (bosoni e gluoni). Tuttavia, si scopre che tutta questa teoria enorme e complessa descrive solo circa il 5-6% di tutta la materia, mentre il resto non rientra in questo modello. Le osservazioni dei primi istanti del nostro Universo ci mostrano che circa il 95% della materia che ci circonda è di natura completamente sconosciuta. In altre parole, vediamo indirettamente la presenza di questa materia nascosta a causa della sua influenza gravitazionale, ma non siamo ancora riusciti a catturarla direttamente. Questo fenomeno di massa nascosta è chiamato in codice “materia oscura”.

La scienza moderna, in particolare la cosmologia, funziona secondo il metodo deduttivo di Sherlock Holmes

Ora il principale candidato del gruppo WISP è l'assione, che si presenta nella teoria dell'interazione forte e ha una massa molto piccola. Una particella del genere è in grado di trasformarsi in una coppia fotone-fotone in campi magnetici elevati, il che dà suggerimenti su come si potrebbe provare a rilevarla. L'esperimento ADMX utilizza grandi camere che creano un campo magnetico di 80.000 gauss (ovvero 100.000 volte superiore campo magnetico Terra). In teoria, un tale campo dovrebbe stimolare il decadimento di un assione in una coppia fotone-fotone, che i rilevatori dovrebbero catturare. Nonostante numerosi tentativi, non è stato ancora possibile rilevare WIMP, assioni o neutrini sterili.

Abbiamo quindi percorso un gran numero di ipotesi diverse cercando di spiegare la strana presenza della massa nascosta e, dopo aver respinto tutte le impossibilità con l'aiuto delle osservazioni, siamo arrivati ​​a diverse ipotesi possibili con le quali possiamo già lavorare.

Anche un risultato negativo nella scienza è un risultato, poiché fornisce restrizioni su vari parametri delle particelle, ad esempio elimina la gamma di possibili masse. Di anno in anno, sempre più nuove osservazioni ed esperimenti negli acceleratori forniscono nuove e più severe restrizioni sulla massa e su altri parametri delle particelle di materia oscura. Pertanto, scartando tutte le opzioni impossibili e restringendo il cerchio delle ricerche, giorno dopo giorno ci avviciniamo alla comprensione di cosa costituisce il 95% della materia nel nostro Universo.

Negli articoli della serie abbiamo esaminato la struttura dell'Universo visibile. Abbiamo parlato della sua struttura e delle particelle che formano questa struttura. A proposito del gioco dei nucleoni ruolo principale, poiché da essi consiste tutta la materia visibile. Di fotoni, elettroni, neutrini, ma anche di comprimari coinvolti nel dramma universale che si svolge 14 miliardi di anni dopo il Big Bang. Sembrerebbe che non ci sia più niente di cui parlare. Ma non è vero. Il fatto è che la sostanza che vediamo è solo una piccola parte di ciò di cui è composto il nostro mondo. Tutto il resto è qualcosa di cui non sappiamo quasi nulla. Questo misterioso “qualcosa” si chiama materia oscura.

Se le ombre degli oggetti non dipendessero dalla dimensione di questi ultimi,
e se avessero avuto una crescita arbitraria, forse
presto non ne sarebbe rimasto più nulla globo non un solo posto luminoso.

Kozma Prutkov

Cosa accadrà al nostro mondo?

Dopo la scoperta degli spostamenti verso il rosso negli spettri di galassie lontane da parte di Edward Hubble nel 1929, divenne chiaro che l'Universo si stava espandendo. Una delle domande che si sono poste a questo proposito è stata la seguente: quanto durerà l’espansione e come finirà? Le forze di attrazione gravitazionale che agiscono tra le singole parti dell'Universo tendono a rallentare la ritirata di queste parti. Ciò a cui porterà la frenata dipende dalla massa totale dell'Universo. Se è abbastanza grande, le forze gravitazionali fermeranno gradualmente l'espansione e sarà sostituita dalla compressione. Di conseguenza, l’Universo finirà per “collassare” nuovamente al punto da cui aveva iniziato ad espandersi. Se la massa è inferiore ad una certa massa critica, l’espansione continuerà per sempre. Di solito è consuetudine parlare non di massa, ma di densità, che è legata alla massa da una relazione semplice, nota da corso scolastico: La densità è la massa divisa per il volume.

Il valore calcolato della densità media critica dell'Universo è di circa 10 -29 grammi per centimetro cubo, che corrisponde a una media di cinque nucleoni per metro cubo. È opportuno sottolinearlo stiamo parlando in particolare sulla densità media. La concentrazione caratteristica di nucleoni nell'acqua, nella terra e in te e me è di circa 10 30 per metro cubo. Tuttavia, nel vuoto che separa gli ammassi di galassie e occupa la maggior parte del volume dell'Universo, la densità è inferiore di decine di ordini di grandezza. Il valore della concentrazione dei nucleoni, mediato sull'intero volume dell'Universo, è stato misurato decine e centinaia di volte, contando attentamente il numero di stelle e nubi di gas e polvere con metodi diversi. I risultati di tali misurazioni differiscono leggermente, ma la conclusione qualitativa è immutata: la densità dell'Universo raggiunge a malapena una piccola percentuale del valore critico.

Pertanto, fino agli anni '70 del XX secolo, la previsione generalmente accettata era l'eterna espansione del nostro mondo, che avrebbe inevitabilmente portato alla cosiddetta morte termica. La morte termica è uno stato di un sistema in cui la sostanza in esso contenuta è distribuita uniformemente e le sue diverse parti hanno la stessa temperatura. Di conseguenza non è possibile né il trasferimento di energia da una parte all’altra del sistema, né la ridistribuzione della materia. In un sistema del genere non succede nulla e non potrà mai più accadere. Una chiara analogia è l'acqua versata su qualsiasi superficie. Se la superficie è irregolare e ci sono anche lievi dislivelli, l'acqua si sposta lungo di essa dai luoghi più alti a quelli più bassi e alla fine si raccoglie nelle pianure, formando pozzanghere. Il movimento si ferma. L’unica consolazione rimasta era che la morte per calore sarebbe avvenuta entro decine e centinaia di miliardi di anni. Di conseguenza, non devi pensare a questa cupa prospettiva per un tempo molto, molto lungo.

Tuttavia, è diventato gradualmente chiaro che la massa reale dell'Universo è molto maggiore della massa visibile contenuta nelle stelle e nelle nuvole di gas e polvere e, molto probabilmente, è vicina a quella critica. O forse esattamente uguale ad esso.

Prove dell'esistenza della materia oscura

La prima indicazione che qualcosa non andava nel calcolo della massa dell'Universo apparve a metà degli anni '30 del XX secolo. L'astronomo svizzero Fritz Zwicky ha misurato la velocità con cui le galassie nell'ammasso della Chioma (uno dei più grandi ammassi a noi conosciuti, comprende migliaia di galassie) si muovono attorno a un centro comune. Il risultato è stato scoraggiante: le velocità delle galassie si sono rivelate molto maggiori di quanto ci si potesse aspettare in base alla massa totale osservata dell’ammasso. Ciò significava che la massa reale dell’ammasso della Coma era molto maggiore della massa apparente. Ma la maggior parte della materia presente in questa regione dell'Universo rimane, per qualche motivo, invisibile e inaccessibile alle osservazioni dirette, manifestandosi solo gravitazionalmente, cioè solo come massa.

La presenza di massa nascosta negli ammassi di galassie è evidenziata anche da esperimenti sul cosiddetto lensing gravitazionale. La spiegazione di questo fenomeno deriva dalla teoria della relatività. In accordo con esso, qualsiasi massa deforma lo spazio e, come una lente, distorce il percorso rettilineo dei raggi luminosi. La distorsione causata dagli ammassi di galassie è così grande che è facile notarla. In particolare, dalla distorsione dell'immagine della galassia che si trova dietro l'ammasso, è possibile calcolare la distribuzione della materia nell'ammasso della lente e quindi misurarne la massa totale. E risulta che è sempre molte volte maggiore del contributo della materia visibile dell'ammasso.

40 anni dopo il lavoro di Zwicky, negli anni ’70, l’astronoma americana Vera Rubin studiò la velocità di rotazione attorno al centro galattico della materia situato alla periferia delle galassie. In conformità con le leggi di Keplero (e derivano direttamente dalla legge gravità universale), quando ci si sposta dal centro della galassia alla sua periferia, la velocità di rotazione degli oggetti galattici dovrebbe diminuire in proporzione inversa a radice quadrata dalla distanza al centro. Le misurazioni hanno dimostrato che per molte galassie questa velocità rimane quasi costante a una distanza molto significativa dal centro. Questi risultati possono essere interpretati solo in un modo: la densità della materia in tali galassie non diminuisce quando ci si sposta dal centro, ma rimane pressoché invariata. Poiché la densità della materia visibile (contenuta nelle stelle e nel gas interstellare) diminuisce rapidamente verso la periferia della galassia, la densità mancante deve essere supplita da qualcosa che per qualche motivo non possiamo vedere. Per spiegare quantitativamente la dipendenza osservata della velocità di rotazione dalla distanza dal centro delle galassie, è necessario che questo “qualcosa” invisibile sia circa 10 volte più grande della normale materia visibile. Questo “qualcosa” veniva chiamato “materia oscura” (in inglese “ materia oscura") e rimane ancora il mistero più intrigante dell'astrofisica.

Un’altra importante prova della presenza di materia oscura nel nostro mondo viene dai calcoli che simulano il processo di formazione delle galassie iniziato circa 300.000 anni dopo il Big Bang. Questi calcoli mostrano che le forze di attrazione gravitazionale che agivano tra i frammenti volanti della materia generata durante l'esplosione non potevano compensare energia cinetica dispersione La materia semplicemente non avrebbe dovuto raccogliersi nelle galassie, nelle quali tuttavia osserviamo era moderna. Questo problema è chiamato paradosso galattico e per molto tempo era considerato un argomento serio contro la teoria del Big Bang. Tuttavia, se assumiamo che le particelle di materia ordinaria nell'Universo primordiale fossero mescolate con particelle di materia oscura invisibile, allora tutto va a posto nei calcoli e le estremità iniziano a incontrarsi: la formazione di galassie dalle stelle e quindi ammassi di galassie , diventa possibile. Allo stesso tempo, come mostrano i calcoli, nelle galassie si accumula dapprima un numero enorme di particelle di materia oscura e solo allora, a causa delle forze gravitazionali, su di esse si raccolgono elementi di materia ordinaria, peso totale che rappresentava solo una piccola percentuale della massa totale dell'Universo. Si scopre che è familiare e, sembrerebbe, studiato nei dettagli mondo visibile, che solo di recente pensavamo fosse quasi compreso, è solo una piccola aggiunta a qualcosa di cui in realtà consiste l'Universo. I pianeti, le stelle, le galassie e io e te siamo solo uno schermo per un enorme “qualcosa” di cui non abbiamo la minima idea.

Fatto fotografico

L'ammasso di galassie (in basso a sinistra nell'area cerchiata) crea una lente gravitazionale. Distorce la forma degli oggetti situati dietro l'obiettivo, allungando le loro immagini in una direzione. Sulla base della magnitudo e della direzione del tratto, un gruppo internazionale di astronomi dell'Osservatorio dell'Europa meridionale, guidato da scienziati dell'Istituto di Astrofisica di Parigi, ha costruito una distribuzione di massa, che è mostrata nell'immagine in basso. Come puoi vedere, l'ammasso contiene molta più massa di quella che può essere vista attraverso un telescopio.

La caccia a oggetti scuri e massicci è un processo lento e i risultati non sembrano dei più impressionanti nelle fotografie. Nel 1995, il telescopio Hubble notò che una delle stelle nella Grande Nube di Magellano lampeggiava più luminosa. Questo bagliore durò tre secondi. mese in più, ma poi la stella ritornò al suo stato naturale. E sei anni dopo, accanto alla stella, alcuni apparivano a malapena oggetto luminoso. Si trattava di una nana fredda che, passando a una distanza di 600 anni luce dalla stella, creava una lente gravitazionale che amplificava la luce. I calcoli hanno dimostrato che la massa di questa nana è solo il 5-10% della massa del Sole.

Infine, la teoria generale della relatività collega in modo inequivocabile il tasso di espansione dell'Universo con la densità media della materia in esso contenuta. Supponendo che la curvatura media dello spazio sia zero, cioè che in essa operi la geometria di Euclide e non di Lobachevskij (che è stato verificato in modo affidabile, ad esempio, in esperimenti con la radiazione cosmica di fondo a microonde), questa densità dovrebbe essere uguale a 10 - 29 grammi per centimetro cubo. La densità della materia visibile è circa 20 volte inferiore. Il 95% mancante della massa dell'Universo è materia oscura. Si noti che il valore di densità misurato dal tasso di espansione dell'Universo è uguale al valore critico. Due valori, calcolati completamente indipendentemente diversi modi, ha coinciso! Se infatti la densità dell'Universo è esattamente uguale alla densità critica, ciò non può essere una coincidenza, ma è la conseguenza di alcune proprietà fondamentali del nostro mondo, che devono ancora essere comprese e comprese.

Cos'è questo?

Cosa sappiamo oggi della materia oscura, che costituisce il 95% della massa dell’Universo? Quasi niente. Ma sappiamo ancora qualcosa. Prima di tutto, non c'è dubbio che la materia oscura esista: i fatti sopra indicati lo dimostrano inconfutabilmente. Sappiamo anche con certezza che la materia oscura esiste in diverse forme. Dopo a inizio XXI secoli come risultato di molti anni di osservazioni in esperimenti SuperKamiokande(Giappone) e SNO (Canada) è stato stabilito che i neutrini hanno massa, è diventato chiaro che dallo 0,3% al 3% del 95% della massa nascosta si trova nei neutrini che ci sono familiari da tempo - anche se la loro massa è estremamente piccoli, ma la loro quantità è pari a circa un miliardo di volte il numero dei nucleoni: ogni centimetro cubo contiene in media 300 neutrini. Il restante 92-95% è composto da due parti: materia oscura ed energia oscura. Una piccola frazione della materia oscura è materia barionica ordinaria, costituita da nucleoni, il resto è apparentemente rappresentato da alcune particelle massicce sconosciute che interagiscono debolmente (la cosiddetta materia oscura fredda); Bilancio energetico dentro universo modernoè presentato nella tabella e la storia delle sue ultime tre colonne è riportata di seguito.

Materia oscura barionica

Una piccola parte (4-5%) della materia oscura è materia ordinaria che emette poca o nessuna radiazione propria ed è quindi invisibile. L'esistenza di diverse classi di tali oggetti può essere considerata confermata sperimentalmente. Gli esperimenti più complessi, basati sulla stessa lente gravitazionale, hanno portato alla scoperta dei cosiddetti oggetti massicci e compatti dell'alone, cioè situati alla periferia dei dischi galattici. Ciò ha richiesto il monitoraggio di milioni di galassie distanti per diversi anni. Quando un corpo scuro e massiccio passa tra un osservatore e una galassia lontana, la sua luminosità diminuisce poco tempo diminuisce (o aumenta, poiché il corpo oscuro funge da lente gravitazionale). Come risultato di ricerche scrupolose, tali eventi sono stati identificati. La natura degli oggetti massicci e compatti dell'alone non è del tutto chiara. Molto probabilmente, si tratta di stelle raffreddate (nane brune) o di oggetti simili a pianeti che non sono associati alle stelle e viaggiano da soli nella galassia. Un altro rappresentante della materia oscura barionica è il gas caldo recentemente scoperto negli ammassi di galassie utilizzando metodi di astronomia a raggi X, che non brilla nella gamma visibile.

Materia oscura non barionica

I principali candidati per la materia oscura non barionica sono i cosiddetti WIMP (abbreviazione dell'inglese Particelle massicce debolmente interattive- particelle massicce che interagiscono debolmente). La particolarità delle WIMP è che non mostrano quasi nessuna interazione con la materia ordinaria. Questo è il motivo per cui costituiscono la vera materia oscura invisibile e sono estremamente difficili da rilevare. La massa del WIMP deve essere almeno decine di volte maggiore della massa di un protone. La ricerca delle WIMP è stata effettuata in molti esperimenti negli ultimi 20-30 anni, ma nonostante tutti gli sforzi non sono ancora state rilevate.

Un’idea è che se tali particelle esistono, allora la Terra, mentre orbita attorno al Sole con il Sole attorno al centro galattico, dovrebbe volare attraverso una pioggia di WIMP. Nonostante il fatto che WIMP sia una particella che interagisce estremamente debolmente, ha ancora una probabilità molto piccola di interagire con un atomo normale. Allo stesso tempo, in installazioni speciali, molto complesse e costose, è possibile registrare un segnale. Il numero di tali segnali dovrebbe cambiare nel corso dell’anno perché, mentre la Terra si muove in orbita attorno al Sole, cambia la sua velocità e direzione rispetto al vento, che consiste di WIMP. Il gruppo sperimentale DAMA, che lavora presso il laboratorio sotterraneo del Gran Sasso in Italia, riferisce di aver osservato variazioni di anno in anno nella velocità di conteggio del segnale. Tuttavia altri gruppi non hanno ancora confermato questi risultati e la questione resta sostanzialmente aperta.

Un altro metodo di ricerca delle WIMP si basa sul presupposto che durante miliardi di anni della loro esistenza, vari oggetti astronomici (la Terra, il Sole, il centro della nostra Galassia) dovrebbero catturare le WIMP, che si accumulano al centro di questi oggetti e, annientando tra loro, danno origine ad un flusso di neutrini. Tentativi di rilevare il flusso di neutrini in eccesso dal centro della Terra verso il Sole e il centro della Galassia sono stati effettuati con rilevatori di neutrini sotterranei e subacquei MACRO, LVD (Laboratorio del Gran Sasso), NT-200 (Lago Baikal, Russia), SuperKamiokande, AMANDA (Stazione Scott-Amundsen, Polo Sud), ma non hanno ancora portato ad un risultato positivo.

Gli esperimenti per la ricerca delle WIMP vengono condotti attivamente anche presso gli acceleratori di particelle. Secondo la famosa equazione di Einstein E=mс 2, l'energia è equivalente alla massa. Pertanto, accelerando una particella (ad esempio un protone) ad un'energia molto elevata e facendola scontrare con un'altra particella, ci si può aspettare la creazione di coppie di altre particelle e antiparticelle (incluse le WIMP), la cui massa totale è pari a l’energia totale delle particelle in collisione. Ma gli esperimenti con l’acceleratore non hanno ancora portato a un risultato positivo.

Energia oscura

All'inizio del secolo scorso, Albert Einstein, volendo garantire l'indipendenza dal tempo del modello cosmologico nella teoria della relatività generale, introdusse nelle equazioni della teoria la cosiddetta costante cosmologica, che chiamò Lettera greca"lambda" - Λ. Questa Λ era una costante puramente formale, nella quale lo stesso Einstein non vedeva alcun significato fisico. Dopo che fu scoperta l'espansione dell'Universo, la sua necessità scomparve. Einstein si pentì moltissimo della fretta e definì la costante cosmologica Λ il suo più grande errore scientifico. Tuttavia, decenni dopo, si è scoperto che la costante di Hubble, che determina la velocità di espansione dell’Universo, cambia con il tempo, e la sua dipendenza dal tempo può essere spiegata selezionando il valore di quella “errata” costante di Einstein Λ, che contribuisce alla densità nascosta dell'Universo. Questa parte della massa nascosta venne chiamata “energia oscura”.

Si può dire ancora meno dell’energia oscura che della materia oscura. Innanzitutto, è distribuito uniformemente in tutto l’Universo, a differenza della materia ordinaria e di altre forme di materia oscura. Ce n'è tanto nelle galassie e negli ammassi di galassie quanto al di fuori di essi. In secondo luogo, possiede diverse proprietà molto strane, che possono essere comprese solo analizzando le equazioni della teoria della relatività e interpretando le loro soluzioni. Ad esempio, l'energia oscura sperimenta l'antigravità: a causa della sua presenza aumenta la velocità di espansione dell'Universo. L’energia oscura sembra allontanarsi, accelerando la dispersione della materia ordinaria raccolta nelle galassie. L'energia oscura ha anche una pressione negativa, a causa della quale nella sostanza si forma una forza che le impedisce di allungarsi.

Il principale candidato per l’energia oscura è il vuoto. La densità di energia del vuoto non cambia mentre l'Universo si espande, il che corrisponde alla pressione negativa. Un altro candidato è un ipotetico campo superdebole, chiamato quintessenza. Le speranze di chiarire la natura dell'energia oscura sono legate principalmente a nuove osservazioni astronomiche. I progressi in questa direzione porteranno senza dubbio all’umanità conoscenze radicalmente nuove, poiché in ogni caso l’energia oscura deve essere una sostanza del tutto insolita, completamente diversa da quella con cui si è occupata finora la fisica.

Quindi, il 95% del nostro mondo è costituito da qualcosa di cui non sappiamo quasi nulla. Si possono avere atteggiamenti diversi nei confronti di un fatto del genere che è al di là di ogni dubbio. Può causare ansia, che accompagna sempre un incontro con qualcosa di sconosciuto. O delusione perché così lunga e percorso difficile la costruzione di una teoria fisica che descrive le proprietà del nostro mondo ha portato all'affermazione: la maggior parte dell'Universo ci è nascosta e ci è sconosciuta.

Ma la maggior parte dei fisici ora si sente incoraggiata. L'esperienza mostra che tutti gli enigmi posti dalla natura all'umanità prima o poi furono risolti. Senza dubbio verrà risolto anche il mistero della materia oscura. E questo porterà sicuramente conoscenze e concetti completamente nuovi di cui non abbiamo ancora idea. E forse incontreremo nuovi misteri che, a loro volta, verranno anche risolti. Ma questa sarà una storia completamente diversa, che i lettori di “Chimica e Vita” non potranno leggere se non qualche anno dopo. O forse tra qualche decennio.

• 1314 7
• fonte: www.vesti.ru

Rappresentanti dell'11 febbraio progetto internazionale Il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha annunciato il primo rilevamento di onde gravitazionali.

Si crede che energia oscuraÈ forza motrice, che garantisce la costante espansione dell'Universo. In questo caso, l’osservazione di diverse fusioni di buchi neri può suggerirne la natura. I parametri del segnale come la frequenza e l'ampiezza dell'onda dicono molto sulla loro fonte. E confrontando la potenza della collisione, determinata utilizzando telescopi convenzionali, con la potenza delle fluttuazioni gravitazionali misurate dai rilevatori, è possibile determinare fino a che punto si è verificato l'evento e quanto spazio si è espanso mentre le onde volavano verso la Terra.

“Questa misura dell’effetto dell’energia oscura dovrebbe essere più forte e più affidabile di qualsiasi cosa usiamo attualmente”, afferma l’astrofisico Avi Loeb dell’Università di Harvard “L’osservazione di poche fusioni di buchi neri potrebbe cambiare tutto, e se ne dovessero verificarsi decine , questa diventerà una nuova direzione nella cosmologia."

La scoperta delle onde gravitazionali potrebbe essere un test importante per la teoria della relatività generale di Albert Einstein. Dopotutto, con il loro aiuto puoi confermare o confutare il principio di base teoria dell'equivalenza delle forze gravitazionali e inerziali, da cui segue che le forze di interazione gravitazionale sono proporzionali alla massa del corpo e influenzano tutte le masse (corpo masse diverse) lo stesso.

Gli scienziati possono ora determinare come diminuisce la forza delle onde gravitazionali mentre viaggiano su lunghe distanze. E se la forza non diminuisce come previsto dai modelli, ciò rappresenterà una seria sfida per una delle teorie fondamentali della fisica.

Un'altra direzione in cui la scienza può avanzare grazie all'ultima scoperta è la ricerca delle tracce del cosiddetto inflazione cosmica. Secondo il modello cosmologico inflazionistico, subito dopo il Big Bang, l’Universo si espanse molto più velocemente rispetto al modello standard dell’Universo caldo.

Se, dopo il successo del progetto LIGO, apparissero in tutto il mondo nuovi rilevatori gravitazionali ancora più sensibili, potrebbero essere in grado di rilevare le onde più corte che si sono formate durante il periodo di maggiore espansione del giovane Universo. Secondo la teoria, a quel tempo lo spazio era impenetrabile alla luce e radiazioni elettromagnetiche, quindi le fluttuazioni gravitazionali potrebbero essere le uniche “testimonianze” di questo periodo.

"Potremmo potenzialmente risalire quasi al Big Bang", afferma Dejan Stojkovic della New York University, "LIGO non sarà in grado di percepire tali vibrazioni, ma ora che sappiamo che le onde esistono, sarà molto più semplice per convincere le persone a investire denaro nella creazione di altri tipi di rilevatori."

Infine, le onde gravitazionali potrebbero essere la chiave tanto attesa per raggiungere questo obiettivo Teorie della Grande Unificazione, il che suggerisce che nella fase iniziale dello sviluppo dell'Universo, tutte e quattro le forze fondamentali - interazioni gravitazionali, elettromagnetiche, forti e deboli - erano combinate in un'unica forza. Mentre l’Universo si espandeva e si raffreddava, le forze si separavano per ragioni ancora poco chiare. Anche in futuro sarà possibile ritrovare tracce di questi eventi utilizzando rilevatori particolarmente sensibili.

In ogni caso, il prossimo futuro si preannuncia interessante. Dopotutto, nuovi studi sulle onde gravitazionali possono finalmente dimostrare la correttezza di molti modelli di base o, al contrario, rivoluzionare completamente la nostra comprensione dell'Universo.

Articolo interessante?

Paul Goeltz / flickr.com

I fisici teorici italiani hanno dimostrato che il modello della materia oscura colorata, cioè della materia oscura costituita da stati legati di particelle con carica colorata diversa da zero (quorn), potrebbe essere realizzabile. Contrariamente alla credenza popolare, l'esistenza di tali particelle non porta alla formazione elevato numero stati misti di quark ordinari e “oscuri” e misurati a questo momento La sezione d'urto per l'interazione dei quorn con le particelle di materia ordinaria è coerente con le previsioni del modello. Articolo pubblicato in Revisione fisica D ed è liberamente disponibile.

Tuttavia, un team di scienziati guidato da Alessandro Strumia ha contestato questa tesi e ha dimostrato che le particelle di materia oscura potrebbero avere una carica colorata. Per fare ciò, hanno aggiunto una particella massiccia e stabile al Modello Standard Q con carica di colore diversa da zero, considerandolo per semplicità elettricamente neutro (quindi l'unico parametro libero del modello era la massa MQ). Questa particella, chiamata Quorn, può trovarsi sia nella rappresentazione fondamentale che in quella aggiunta del gruppo cromodinamico SU(3)c; nel primo caso la particella Qè un “quark oscuro” e forma legati stati incolori della forma QQQ, e nel secondo caso - un "gluone oscuro", i cui stati legati hanno la forma QQ(“palle di colla scure”). Leggi le esibizioni del gruppo SU(3) c e le loro connessioni con la cromodinamica si possono trovare, ad esempio, nel libro di Valery Rubakov. Gli scienziati chiamano tali stati adronici, costituiti solo da particelle di materia oscura, “quorn puri” (adroni quorn-onlyum). Naturalmente, insieme agli stati “puri” nella teoria proposta, piacciono gli stati misti Q qq, QQ qe Q q̄ (se Q- quark) o Q G, Q qq' (se Q-gluone).

Gli scienziati hanno poi testato in quali condizioni il modello proposto riproduce la massa osservata di materia oscura. Per fare ciò, hanno calcolato la sezione trasversale per la formazione di una stalla QQ-adrone nella collisione di due palle di colla miste Q g+ Q g→ QQ+gg. La sezione d'urto di tale reazione è inversamente proporzionale alla temperatura di transizione di fase della QCD: σ ~π/Λ QCD 2, che è pari a Λ QCD ≈ 0,31 gigaelettronvolt, e quindi per la formazione di uno stato legato QQ la reazione deve avere un parametro di impatto relativamente ampio B~ 1/Λ QCD (ricordiamo che nel sistema ℏ = C= 1 la dimensione della lunghezza coincide con la dimensione della massa reciproca, e la massa si misura in elettronvolt). Di conseguenza, il "quorn puro" risultante avrà un momento angolare elevato e quindi sarà instabile. Tuttavia, i calcoli eseguiti dagli scienziati hanno dimostrato che a temperature inferiori a T~0,3Λ QCD e una massa Quorn di circa 12,5 teraelettronvolt QQ-lo stato non decade come ci si potrebbe aspettare, ma passa a uno stato stabile con momento angolare pari a zero, emettendo gluoni morbidi e a bassa energia del Modello Standard. È importante notare che con una tale massa numero completo I quorn, in linea con la massa di materia oscura osservata, sono solo 10 −14 volte il numero delle particelle di materia ordinaria.

Dipendenza della sezione trasversale di transizione ad uno stato stabile dalla temperatura per una massa di quorn di circa 12,5 teraelettronvolt e varie costanti di accoppiamento efficaci

Ciò significa che come risultato dei processi cosmologici nella vita dell'Universo, tutti i quorn liberi potrebbero entrare in stati incolori legati se la velocità delle reazioni di fusione in queste fasi superasse la velocità di espansione dell'Universo, causando la concentrazione di particelle libere diminuire. Infatti, i fisici hanno dimostrato che durante una transizione di fase, la QCD (la temperatura della sostanza T ~ ΛQCD) durante il periodo caratteristico dell'espansione dell'Universo, sono riuscite a verificarsi circa ~10 19 reazioni di fusione quorn. Poiché il numero di tali reazioni è molto maggiore del rapporto tra il numero di quark ordinari e il numero di quorn (~10 14), quasi tutti i quorn sono entrati in stati stabili "puramente oscuri" e la concentrazione di stati misti è risultata essere essere incredibilmente piccolo. In sostanza, questo processo è simile alla nucleosintesi primaria, durante la quale si sono formati gli atomi più leggeri elementi chimici. Inoltre, le previsioni del modello sono in buon accordo con l’immagine del mondo osservata sperimentalmente.

Il rapporto tra la massa dei quorn stabili legati e la massa di materia oscura attualmente osservata in funzione del tempo (o dell’energia, che è correlata unicamente al tempo trascorso da allora) Big Bang)

Valerio De Luca et al. / Fis. Rev. D

Infine, i fisici hanno stimato la sezione d'urto per l'interazione degli adroni stabili QQ con particelle del Modello Standard, che possono essere misurate in esperimenti diretti (progettati in modo simile