Misurare l'elio nelle galassie per capire il motivo per cui esiste l'universo

Quando i fisici teorici dicono che stanno studiando perché esiste l’universo, sembrano dei filosofi. Ma i nuovi dati raccolti dai ricercatori che utilizzano il telescopio giapponese Subaru hanno rivelato approfondimenti proprio su questa domanda.

Il Big Bang ha dato il via all’universo come lo conosciamo 13,8 miliardi di anni fa. Molte teorie nella fisica delle particelle suggeriscono che per tutta la materia creata al concepimento dell’universo, una quantità uguale di antimateria avrebbe dovuto essere creata accanto ad essa. L’antimateria, come la materia, ha massa e occupa spazio. Tuttavia, le particelle di antimateria mostrano le proprietà opposte delle loro corrispondenti particelle di materia.

Quando pezzi di materia e antimateria si scontrano, si annichilano a vicenda in una potente esplosione, lasciando dietro di sé solo energia. La cosa sconcertante delle teorie che prevedono la creazione di un uguale equilibrio di materia e antimateria è che se fossero vere, le due si sarebbero totalmente annientate a vicenda, lasciando vuoto l’universo. Quindi ci deve essere stata più materia che antimateria alla nascita dell’universo, perché l’universo non è vuoto – è pieno di cose fatte di materia come galassie, stelle e pianeti. Un po’ di antimateria esiste intorno a noi, ma è molto rara.

In un recente studio, hanno scoperto che la nuova misurazione del telescopio della quantità e del tipo di elio nelle galassie lontane può offrire una soluzione a questo mistero di lunga data.

Dopo il Big Bang

Nei primi millisecondi dopo il Big Bang, l’universo era caldo, denso e pieno di particelle elementari come protoni, neutroni ed elettroni che nuotavano in un plasma. In questo pool di particelle erano presenti anche i neutrini, che sono particelle molto piccole che interagiscono debolmente, e gli antineutrini, le loro controparti di antimateria.

I fisici ritengono che appena un secondo dopo il Big Bang, i nuclei di elementi leggeri come l’idrogeno e l’elio abbiano iniziato a formarsi. Questo processo è noto come nucleosintesi del Big Bang. I nuclei formati erano circa il 75% di nuclei di idrogeno e il 24% di nuclei di elio, oltre a piccole quantità di nuclei più pesanti.

La teoria più ampiamente accettata dalla comunità dei fisici sulla formazione di questi nuclei ci dice che i neutrini e gli antineutrini hanno giocato un ruolo fondamentale nella creazione, in particolare, dei nuclei di elio.

La creazione dell’elio nell’universo primordiale avvenne in un processo in due fasi. In primo luogo, neutroni e protoni si sono convertiti l’uno nell’altro in una serie di processi che coinvolgono neutrini e antineutrini. Quando l’universo si è raffreddato, questi processi si sono fermati ed è stato stabilito il rapporto tra protoni e neutroni.

I fisici teorici, possono creare modelli per verificare come il rapporto tra protoni e neutroni dipenda dal numero relativo di neutrini e antineutrini nell’universo primordiale. Se fossero presenti più neutrini, i modelli mostrano che di conseguenza esisterebbero più protoni e meno neutroni.

Quando l’universo si è raffreddato, idrogeno, elio e altri elementi si sono formati da questi protoni e neutroni. L’elio è composto da due protoni e due neutroni e l’idrogeno è solo un protone e nessun neutrone. Quindi, minore è il numero di neutroni disponibili nell’universo primordiale, minore sarà la produzione di elio.

Poiché i nuclei formatisi durante la nucleosintesi del Big Bang possono ancora essere osservati oggi, gli scienziati possono dedurre quanti neutrini e antineutrini erano presenti durante l’universo primordiale. Lo fanno osservando specificamente le galassie ricche di elementi leggeri come l’idrogeno e l’elio.

Un indizio nell’elio

L’anno scorso, la Subaru Collaboration – un gruppo di scienziati giapponesi che lavorano al telescopio Subaru – ha rilasciato dati su 10 galassie lontane dalla nostra che sono quasi esclusivamente costituite da idrogeno ed elio.

Utilizzando una tecnica che consente ai ricercatori di distinguere elementi diversi l’uno dall’altro in base alle lunghezze d’onda della luce osservate nel telescopio, gli scienziati Subaru hanno determinato esattamente la quantità di elio presente in ognuna di queste 10 galassie. È importante sottolineare che hanno trovato meno elio di quanto previsto dalla teoria precedentemente accettata.

Con questo nuovo risultato, un gruppo di scienziati a lavorato a ritroso per trovare il numero di neutrini e antineutrini necessari per produrre l’abbondanza di elio trovata nei dati. Ripensa alla lezione di matematica della prima media quando ti è stato chiesto di risolvere la “X” in un’equazione. Ciò che il team ha fatto è stata essenzialmente la versione più sofisticata di ciò, dove la nostra “X” era il numero di neutrini o antineutrini.

La teoria precedentemente accettata prevedeva che ci dovesse essere lo stesso numero di neutrini e antineutrini nell’universo primordiale. Tuttavia, quando hanno modificato questa teoria per fare una previsione che corrispondesse al nuovo set di dati, hanno scoperto che il numero di neutrini era maggiore del numero di antineutrini.

Che cosa significa tutto questo?

Questa analisi dei nuovi dati delle galassie ricche di elio ha una conseguenza di vasta portata: può essere utilizzata per spiegare l’asimmetria tra materia e antimateria. I dati Subaru ci indicano direttamente una fonte per quello squilibrio: i neutrini. In questo studio, hanno dimostrato che questa nuova misurazione dell’elio è coerente con l’esistenza di più neutrini che antineutrini nell’universo primordiale. Attraverso noti e probabili processi di fisica delle particelle, l’asimmetria nei neutrini potrebbe propagarsi in un’asimmetria in tutta la materia.

Il risultato dello studio è un tipo comune di risultato nel mondo della fisica teorica. Fondamentalmente, hanno scoperto un modo praticabile in cui l’asimmetria materia-antimateria avrebbe potuto essere prodotta, ma ciò non significa che sia stata sicuramente prodotta in quel modo. Il fatto che i dati corrispondano alla teoria è un indizio che la teoria che hanno proposto potrebbe essere quella corretta, ma questo fatto da solo non significa che lo sia.

Quindi, questi minuscoli neutrini sono la chiave per rispondere all’annosa domanda: “Perché esiste qualcosa?” Secondo questa nuova ricerca, potrebbero esserlo.