Il doppio senso della freccia del tempo

È noto che le leggi della fisica sono valide procedendo sia in avanti che indietro nel tempo. Ma la domanda è: perchè il tempo sembra muoversi in una sola direzione? Secondo alcuni studi recenti, una possibile risposta potrebbe portare a rivelare i segreti della massa mancante dell’Universo.

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Idee sulla materia scura

È passato quasi un secolo da quando negli anni ‘30 un astronomo di origine svizzera, Fritz Zwicky, utilizzò per la prima volta il termine “materia scura”, quell’enigmatica componente che costituisce circa un quarto del contenuto materia-energia dell’Universo e che finora sfugge a qualsiasi spiegazione scientifica. I fisici possono misurare i suoi effetti gravitazionali sul moto delle galassie e degli altri oggetti celesti ma ciò di cui è fatta rimane ancora un mistero. Per arrivare ad una soluzione, gli scienziati hanno introdotto diverse ipotesi e un modo univoco per ognuna di esse allo scopo di rivelare le particelle che la compongono. Alcune idee sono emerse a seguito di una serie di tentativi per risolvere altri problemi di fisica fondamentale, altre stanno spingendo i limiti della nostra conoscenza verso ciò che si ritiene possa essere, o non essere, in definitiva la materia scura. Dunque, la domanda è: cosa potrebbe essere la materia scura? Vediamo qui di seguito un breve stato dell’arte sulle particelle maggiormente candidate.

A caccia di assioni con ADMX

Le ipotetiche particelle denominate assioni furono proposte inizialmente negli anni ’70 per risolvere un problema non collegato direttamente alla materia scura. Man mano che i fisici sviluppavano la teoria dell’interazione nucleare forte, che lega i quark all’interno dei protoni e neutroni, essi notarono qualcosa di sbagliato. Le interazioni all’interno dei neutroni avrebbero dovuto rendere queste particelle elettricamente asimmetriche e farle ruotare in presenza di un campo elettrico. Ad ogni modo, gli esperimenti non mostrano un tale processo per cui ci deve essere qualcosa che manca nella teoria.

Un segnale ‘misterioso’ dal Sole: evidenza di materia scura?

Alcuni scienziati dell’Università di Leicester hanno rilevato un segnale curioso nella banda dei raggi-X che potrebbe essere associato alla misteriosa materia scura. Secondo i ricercatori, si tratterrebbe, è l’obbligo il condizionale, di un segnale dovuto agli assioni, ipotetiche particelle elementari proposte, tra l’altro, per spiegare la materia scura. In uno studio in corso di pubblicazione proprio oggi 20 ottobre 2014 sulla prestigiosa rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), gli scienziati descrivono la loro scoperta in termini di un segnale che non sembra avere una spiegazione convenzionale.

I ‘sapori’ della materia scura

Secondo i dati più recenti, sappiamo che oltre l’80% della materia presente nell’Universo è sconosciuta. Ad essa, gli astronomi danno il nome di materia scura che finora nessuno è mai stato in grado di rivelarla nemmeno con i migliori rivelatori a terra. Nonostante ciò, l’unica risorsa che ci permette di determinare la sua presenza è data dalle osservazioni astronomiche. Oggi, però, il fisico Mikhail Medvedev della University of Kansas ha pubblicato un importante articolo di ricerca che si è meritato la copertina della prestigiosa rivista Physical Review Letters. Lo scienziato propone un modello alternativo che tenta di spiegare la natura dell’enigmatica materia scura denominato “flavor-mixed multicomponent dark matter model”.

Un mistero nell’ammasso di Perseo

L’Universo è un posto pieno di misteri e di recente, l’osservatorio spaziale Chandra ne ha rivelato un’altro che, a prima vista, non può essere spiegato dalle leggi della fisica note. Stiamo parlando dell’ammasso di Perseo situato a circa 250 milioni di anni-luce uno degli oggetti più massicci dell’Universo. L’ammasso si trova immerso in una sorta di enorme “atmosfera di plasma” ad alta temperatura ed è lì dove risiede il mistero.

Al via i nuovi esperimenti sulla materia scura

L’Ufficio di Scienza del Dipartimento di Energia (DOE) degli Stati Uniti e la National Science Foundation (NSF) hanno annunciato in questi giorni il finanziamento di tutta una serie di progetti allo scopo di cercare nuove tracce dell’enigmatica materia scura con una sensibilità molte volte superiore a quella che caratterizza gli attuali esperimenti. Denominati Generation 2 Dark Matter Experiments essi includono l’esperimento LUX-Zeplin (LZ), una collaborazione internazionale istituita nel 2012 che sarà gestita dal DOE presso il Lawrence Berkeley National Laboratory i cui rivelatori saranno installati presso la Sanford Underground Research Facility (SURF) nel South Dakota, e altri due esperimenti.

Axion Cosmophysics

Axion Cosmophysics – Recently, inspired by the string axiverse idea and related work, string axions including QCD axions are gathering attentions as a new cosmophysical window to the fundamental laws of nature, especially to confirm whether superstring theory is really the ultimate theory of nature.

Continua il mistero dell’apparente anomalia del litio-7

Circa trent’anni fa, Monique and François Spite dell’Osservatorio di Parigi realizzarono una serie di osservazioni in merito all’abbondanza dell’elemento litio-7 nell’Universo, ottenendo dei risultati alquanto sconcertanti (vedasi questo post). In altre parole, studiando gli aloni delle stelle più vecchie essi avevano notato la presenza di una abbondanza di litio-7 maggiore rispetto a quella che sarebbe stata presente nello spazio. Da allora, molti studi hanno tentato di capire il perché di questa apparente anomalia ma finora nessuno è stato in grado di fornire una adeguata spiegazione. Oggi, studi più recenti infittiscono ancora questo mistero poiché è stato trovato che la quantità di litio-7, calcolata lungo la linea di vista che separa la Terra da una stella molto giovane situata nella Piccola Nube di Magellano, è in accordo con quanto ci si aspetta subito dopo il Big Bang. Lo scienziato Christopher Howk e collaboratori suggeriscono che questa discrepanza è alquanto enigmatica in quanto non può essere spiegata con i moderni modelli astrofisici.

Ciò che preoccupa maggiormente gli scienziati che studiano l’anomalia del litio-7 è dovuto al fatto che questo elemento è l’unico che non quadra con i modelli che descrivono l’evoluzione dell’Universo subito dopo il Big Bang. Tutti gli elementi si formano secondo quantità note, fatta eccezione appunto per il litio-7: se ne trova circa un terzo rispetto a quanto ipotizzato dai teorici. Per cercare di risolvere questo problema, gli astronomi hanno studiato le stelle più vecchie che circondano la Via Lattea, prendendo in considerazione anche i bosoni di massa più leggera, come gli assioni, e persino i sistemi stellari binari in cui una componente è un buco nero. Sfortunatamente, però, questi studi hanno peggiorato il problema indicando che ci dovrebbe essere una percentuale maggiore di litio-7 da qualche parte nello spazio rispetto a quanto previsto. I ricercatori hanno osservato una stella giovane che si trova nella Piccola Nube di Magellano, analizzando lo spettro del gas e delle polveri che si trovano interposte lungo la linea di vista. I dati indicano che la percentuale di litio-7 è consistente con quella prevista dai modelli anche se il problema non è comunque risolto poiché gli scienziati sanno che ce ne dovrebbe essere una quantità maggiore che sarebbe stata prodotta nel corso di 13 miliardi di anni. Dunque, questi risultati infittiscono ancora di più il mistero perché non solo non spiegano dov’è tutto il resto del litio-7 ma non si riesce nemmeno a spiegare il perché l’elemento non è stato creato sin dalle origini dell’Universo così come previsto dai modelli.

 Abstract: Observation of interstellar lithium in the low-metallicity Small Magellanic Cloud  

ArXiv: Observation of interstellar lithium in the low-metallicity Small Magellanic Cloud

Gli assioni, una possibile spiegazione all’enigma della materia scura

Uno dei misteri a cui i cosmologi stanno tentando di dare una risposta è quello di capire come mai l’Universo è così come lo vediamo. Nel fare ciò, sono state introdotte tutte una serie di idee che, però, non possono essere verificate. Una di queste è il concetto di materia scura quella enigmatica componente che gli scienziati ritengono formi quasi l’80% di tutta la materia presente nell’Universo. Ora, un problema che emerge con il modello cosmologico standard è dovuto al fatto che un particolare isotopo, il litio-7, dovrebbe essere molto più abbondante assumendo corretto il modello.

I teorici suggeriscono che subito dopo il Big Bang, lo spazio era come riempito da una sorta di miscela supercalda composta da protoni e neutroni che con il passare del tempo si fuse per dar luogo al deuterio e ai due isotopi dell’elio e del litio. Successivamente, man mano che la temperatura dello spazio diventava sempre più bassa, gli elettroni cominciarono a legarsi ai nuclei atomici, un processo che causò la formazione di tutti gli altri elementi che conosciamo oggi. La teoria, che si basa sull’osservazione della radiazione cosmica di fondo, non spiega l’eccesso di litio-7 rispetto a quanto esiste attualmente quando si prova a descrivere l’intero processo fisico. Per risolvere il problema, un gruppo di ricercatori dell’Università della Florida hanno avanzato una ipotesi in base alla quale essi suggeriscono che una ipotetica particella, un bosone di massa modesta chiamato assione, potrebbe spiegare questa discrepanza. In altre parole, gli scienziati affermano che se questa particella esiste davvero allora essa potrebbe aver prodotto una sorta di stato condensato di Bose-Einstein che avrebbe congelato, per così dire, quei fotoni primordiali. In questo modo, la quantità di litio-7 prodotta diventa inferiore rispetto a quanto calcolato e risulta così consistente con quanto viene trovato oggi. Insomma, questa ipotesi potrebbe risolvere il cosiddetto problema del litio-7 ed essere allo stesso tempo un modo per provare indirettamente il fatto che gli assioni sono effettivamente particelle reali. In definitiva, tutto ciò, forse, darebbe una maggiore credibilità a quei modelli che tentano di spiegare come si sono formate tutte le cose che ci circondano.

ArXiv: Axion Dark Matter and Cosmological Parameters