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Un eccesso di antineutrini nell’Universo primordiale

Uno dei misteri della cosmologia moderna è quello che riguarda l’asimmetria barionica e cioè il fatto che l’Universo in cui viviamo è fondamentalmente costituito di materia. La domanda è: dove è andata a finire l’antimateria? I barioni, ossia le particelle che sono composte da una combinazione di tre quark, includono i protoni e i neutroni e rappresentano la materia ordinaria di cui anche noi stessi siamo fatti. Tuttavia, si conosce ancora poco sulla possibile esistenza di una asimmetria leptonica in cui cioè esistono nell’Universo quantità diverse di leptoni e antileptoni. Esempi di leptoni sono gli elettroni e i neutrini. Quest’ultimi, in particolare, sono molto difficili da rivelare rispetto ai barioni poiché sono delle particelle elusive e molto leggere e, di conseguenza, meno energetiche.

Oggi, grazie ad uno studio recente, i fisici Dominik J. Schwarz e Maik Stuke della Bielefeld University in Germania hanno pubblicato un articolo sul New Journal of Physics dove spiegano come i recenti dati relativi alla radiazione cosmica di fondo suggeriscano che l’Universo contenga un eccesso di antineutrini rispetto ai normali neutrini (video abstract). Inoltre, questa asimmetria leptonica potrebbe, in linea di principio, superare l’asimmetria barionica, che è dell’ordine di 10-10, anche di diversi ordini di grandezza. Il numero totale di leptoni potrebbe così superare il numero totale di barioni presenti nell’Universo. Tuttavia, trovare tracce di questa asimmetria leptonica non è un lavoro molto semplice. I leptoni hanno una energia così bassa che la maggior parte di queste particelle possono facilmente ‘celarsi’, per così dire, nel segnale di fondo dovuto ai neutrini e perciò diventa complicato rivelarli. Nonostante ciò, Schwarz e Stuke sono convinti che i leptoni possano essere osservati esplorando le epoche primordiali della storia cosmica poiché essi avrebbero giocato un ruolo importante da un lato nel processo della nucleosintesi, cioè la produzione dei nuclei degli elementi più leggeri che si formarono immediatamente dopo il Big Bang, e dall’altro nella radiazione cosmica di fondo, la radiazione fossile prodotta circa 400 mila anni dopo la nascita dell’Universo. In particolare, i leptoni avrebbero svolto la loro azione durante la formazione dell’elio primordiale. I due ricercatori hanno misurato l’abbondanza di questo elemento utilizzando i nuovi dati della radiazione cosmica di fondo ottenuti con l’Atacama Cosmology Telescope, con il South Pole Telescope e con il satellite WMAP. Confrontando questi risultati con i dati relativi all’abbondanza dell’elio derivata dalle osservazioni locali che si riferiscono alle regioni di cielo extragalattiche, gli scienziati sono stati in grado di porre alcuni limiti all’asimmetria leptonica. I dati suggeriscono che esiste una possibilità che l’Universo sia governato dagli antineutrini, anziché da quelli normali, il che avrebbe delle implicazioni importanti sulla nostra attuale comprensione di ciò che accadde durante le fasi iniziali della storia cosmica. In più, l’eccesso di antineutrini porterebbe, in linea teorica, ad un aumento del tasso di espansione dell’Universo. Comunque, finora i dati non danno una indicazione che lo scenario standard della nucleosintesi primordiale possa essere, in qualche modo, sbagliato. Ora i fisici sperano che nel futuro nuovi dati sulla radiazione cosmica di fondo e misure più accurate delle abbondanze degli elementi primordiali potranno fornirci degli indizi per verificare sperimentalmente l’asimmetria leptonica e confrontarla con quella barionica, anche se al momento non abbiamo alcuna idea da dove quest’ultima provenga (vedasi Enigmi Astrofisici).

Questo post è stato citato da Maik Stuke: Anti-Neutrinos famous all around the World

New Journal of Physics: Does the CMB prefer a leptonic Universe?

arXiv: Does the CMB prefer a leptonic Universe?

Neutrinos at the forefront of elementary particle physics and astrophysics

Neutrinos at the forefront of elementary particle physics and astrophysics – The conference will be focused on neutrinos as a bridge between the two words of particle physics and astrophysics/cosmology with 3 main topics: Continua a leggere Neutrinos at the forefront of elementary particle physics and astrophysics

Un acceleratore di particelle per lo studio dell’origine degli elementi

Il professore di fisica Michael Wiescher dell’University of Notre Dame sta studiano l’origine degli elementi e l’evoluzione chimica dell’Universo grazie all’utilizzo di un nuovo acceleratore di particelle situato presso il Nuclear Science Laboratory (NSL) a Nieuwland.

Stiamo cercando di simulare le reazioni nucleari che hanno luogo nelle stelle” spiega Wiescher. “Il nostro corpo è composto dal 70% di idrogeno di cui la metà si è formato circa 12-13 miliardi di anni fa in seguito al Big Bang e il resto si è prodotto nelle successive generazioni di stelle. In qualche modo noi esseri umani siamo collegati con le stelle perchè almeno il 50% degli atomi presenti nel nostro organismo sono stati generati dalle esplosioni stellari”. L’acceleratore di Notre Dame sta aiutando gli scienziati a ricreare quei processi nucleari che avvengono nelle stelle in modo da rendere le osservazioni complementari a quelle da terra e dallo spazio e che stanno tentando di tracciare, per così dire, la storia passata e presente dei processi di nucleosintesi che avvengono nel cosmo. Gli esperimenti del nuovo acceleratore permettono di realizzare le condizioni ideali per esplorare la struttura quantistica dei nuclei al fine di avere maggiori indizi sulla formazione degli elementi che hanno origine in seguito alle reazioni nucleari nelle stelle.

[Press release: New accelerator helps Notre Dame scientists understand workings of the universe]