Gravitinos, La Nuova Particella Che Spiegherà La Materia Oscura?

L'Universo abbonda di materia oscura. Nessuno sa in realtà di che cosa essa consiste. I fisici dell'Università di Oslo hanno messo a punto una spiegazione matematica che potrebbe risolvere il mistero una volta per tutte.

"Siamo alla ricerca di un nuovo tipo di particelle adatte a spiegare la materia oscura. Sappiamo che si tratta di una bestia ignota ma abbiamo trovato una spiegazione plausibile", dice Raklev, professore associato di fisica delle particelle all'Università di Oslo.

Anche se la materia oscura è invisibile, gli astrofisici sanno che esiste. Senza questa materia oscura sarebbe impossibile spiegare come le cose visibili nell'Universo stiano insieme.
La materia oscura è in grado di spiegare il perché le stelle si muovono e la velocità di rotazione delle galassie.
"Anche se siamo in grado di calcolare la quantità di materia oscura presente nell'Universo, sappiamo ancora poco sulla sua natura. Le particelle di materia oscura devono avere una grande massa, o ci deve essere una gran quantità di esse. I neutrini incontrano tutti i requisiti della materia oscura. Ma c'è una grande difficoltà. Hanno una massa troppo esigua".

Raklev sta ora cercando di dimostrare che la materia oscura è costituita dai gravitinos. Questa è una particella che è stata trattata ingiustamente per anni.
I gravitinos sarebbero i partner supersimmetrici di gravitoni.O, per essere ancora più precisi: "Il gravitino è l'ipotetico, partner supersimmetrico dell'ipotetico gravitone, quindi è anche impossibile prevedere una particella ipotetica oltre questa".

Per supporre la presenza dei gravitones occorre innanzi tutto
scoprire se la natura è supersimmetrica. La supersimmetria significa che vi è una simmetria tra materia e forze. Per ogni tipo di elettroni e quark corrisponde un partner pesante supersimmetrico. Le particelle supersimmetriche sono state creati nell'istante dopo il Big Bang. Se alcune di esse sono sopravvissute fino ad oggi, potrebbero essere parte della materia oscura.

Il partner supersimmetrico del gravitino è, come ha detto Apollon, il gravitone.
"Un gravitone è la particella che crediamo abbia la forza di gravità media, proprio come un fotone, la particella di luce, una media forza elettromagnetica. Mentre i gravitoni non pesano niente, i gravitinos possono pesare molto. Se la natura è supersimmetrica e i gravitoni esistono, allora i gravitinos esistono anche. E viceversa. Questa è matematica pura".

Ma c'è un problema. I fisici non possono dimostrare la relazione tra gravitoni e gravitinos prima di riuscire a unificare tutte le forze della natura.

Uno dei più grandi sforzi della fisica è unificare tutte le forze della natura in un'unica teoria. A metà del secolo scorso i fisici scoprirono che l'elettricità e il magnetismo facevano parte della stessa forza della natura. Questa forza è stata poi chiamata elettromagnetismo. Due delle altre forze della natura sono la forza nucleare forte e la forza nucleare debole. La forza nucleare debole può essere la radioattività. La forza nucleare forte è di dieci miliardi di volte più forte e lega insieme i neutroni e i protoni.
Nel 1970, l'elettromagnetismo è stato unificato con le forze nucleari forti e deboli in quello che i fisici chiamano il modello standard.

La quarta forza della natura è la gravità. La gravità è la più debole delle quattro forze della natura.
Il problema è che i fisici non sono ancora stati in grado di unificare la gravità con le tre altre forze della natura. I fisici, quando acquisiranno una comprensione unificata di tutte e quattro le forze della natura, guadagneranno una comprensione unica del mondo. In questo modo sarà possibile descrivere tutte le interazioni tra tutte le particelle immaginabili possibili in natura. I fisici chiamano questa la teoria ToE (Teoria del Tutto).

"Al fine di unificare la forza gravitazionale con le altre tre forze della natura, dobbiamo acquisire la gravità come teoria quantistica. Ciò significa che abbiamo bisogno di una teoria in cui è incluso il gravitone come particella nel nucleo atomico".
I ricercatori sono ora alla ricerca sia della supersimmetria che della teoria ToE. La scoperta del gravitone sarebbe un enorme passo in questa direzione.

Anche se non è stato possibile osservare la materia oscura, diversi miliardi di neutrini che ne fanno parte, attraversano il nostro corpo ogni secondo. Tuttavia, la loro velocità è piuttosto limitata. Le particelle si muovono alla velocità del Sistema Solare che si muove intorno alla galassia, a soli 400 chilometri al secondo.
"Quando non ci sono i rapporti con le particelle elettromagnetiche visibili, le particelle possono passare proprio attraverso di noi senza strumenti di misura e di rilevazione. Qui è dove entra in gioco la supersimmetria.

Se la supersimmetria è esatta, i fisici possono spiegare perché non vi è materia oscura nell'Universo", dice Raklev.

"La supersimmetria semplifica tutto. Se la teoria ToE esiste, in altre parole se è possibile unificare le quattro forze della natura, i gravitinos devono esistere".
I gravitinos si sono formati subito dopo il Big Bang.
"Poco tempo dopo il Big Bang abbiamo avuto una zuppa di particelle che si scontrarono. I Gluoni, che sono le particelle cuscinetto alla forza nucleare forte, entrarono in collisione con altri gluoni ed emisero i gravitinos.
I gravitinos si sono formati mentre l'Universo era ancora plasma. Quindi abbiamo una spiegazione del perché i gravitinos esistono".

I fisici hanno fino ad ora visto i gravitinos come un problema. Hanno creduto che la teoria della supersimmetria non funziona perché ci sono troppi gravitinos.
"I fisici hanno quindi cercato di eliminare i gravitinos dai loro modelli. Noi, d'altra parte, abbiamo trovato una nuova spiegazione che unifica il modello della supersimmetria con la materia oscura che si compone di gravitinos. Se la materia oscura non è stabile, ma solo esistente da molto tempo è possibile spiegare come la materia oscura consiste di gravitinos".
Nei vecchi modelli la materia oscura è sempre eterna. Questo significava che i gravitinos erano una parte fastidiosa del modello della supersimmetria. Nel nuovo modello di Raklev, la loro vita non è più infinita. Tuttavia, la vita media di gravitinos è molto lunga e in realtà più lunga della durata dell'Universo.
Tuttavia, vi è una grande differenza tra una vita senza fine e una durata di più di 15 miliardi di anni. Con una durata di vita limitata, i gravitinos devono essere convertiti in altre particelle. È proprio questo effetto di conversione che può essere misurata. E la conversione spiega il modello.
"Noi crediamo che quasi tutta la materia oscura è gravitinos. La spiegazione sta nella matematica. Stiamo sviluppando modelli speciali che consentono di calcolare le conseguenze di queste teorie e prevedere in che modo le particelle possono essere osservate negli esperimenti".

I ricercatori stanno ora cercando di verificarle sperimentalmente e questo spiega perché queste nuove particelle non sono ancora state osservate negli esperimenti del CERN a Ginevra in Svizzera.
"D'altra parte, dovrebbe teoricamente essere possibile osservarli da una sonda spaziale".
Il modo più semplice potrebbe essere studiare cosa succede se due particelle si scontrano fuori nell'Universo e sono convertite in altre particelle come fotoni o antimateria.
Anche se le collisioni avvengono molto raramente, c'è ancora tanta materia oscura nell'Universo da produrre un numero significativo di fotoni.
Il grosso problema è che i gravitinos non si scontrano.

"Almeno capita così raramente che non potremmo mai sperare di osservarli".
Tuttavia c'è speranza
"Fortunatamente per noi, i gravitinos non sono al cento per cento stabili. Essi vengono convertiti in qualcos'altro, ad un certo punto. Siamo in grado di prevedere ciò che il segnale diventa dopo la loro conversione, ovvero una piccola onda elettromagnetica chiamata anche raggio gamma".

La sonda spaziale della NASA Fermi-LAT sta attualmente misurando i raggi gamma. Un certo numero di gruppi di ricerca stanno ora analizzando i dati.
"Finora abbiamo visto solo il rumore. Ma uno dei gruppi di ricerca ha affermano di aver osservato un piccolo avanzo sospetto di raggi gamma dal centro della nostra galassia. Le loro osservazioni potrebbero andare bene per i nostri modelli ".

A cura Di Arthur McPaul

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il prof. Raklev (Credit: Yngve Vogt)

Fonte:
http://www.sciencedaily.com/releases/2013/01/130124091545.htm

Un Nuovo Paradigma Spiegherebbe L'Inizio Dell'Universo

Un nuovo paradigma per la comprensione dei primordi della storia dell'Universo è stato sviluppato dagli scienziati della Penn State University.

Utilizzando dei concetti propri della moderna cosmologia quantistica "a loop", hanno esteso la loro ricerca alle grandi strutture che oggi osserviamo che si sono evolute da fluttuazioni fondamentali nella natura essenziale di "spazio-tempo", che esistevano già oltre 14 miliardi di anni fa. La realizzazione prevede anche nuove opportunità per testare le teorie concorrenti della cosmologia che i telescopi di nuova generazione potranno confermare o smentire.

"Noi esseri umani abbiamo sempre desiderato capire di più circa l'origine e l'evoluzione del nostro Universo", ha dichiarato Abhay Ashtekar, autore principale della carta. "É un momento emozionante per il nostro team in questo momento, da quando abbiamo iniziato a utilizzare il nostro nuovo paradigma per capire, più in dettaglio, le dinamiche che la materia e la geometria hanno sperimentato durante le primissime epoche dell'Universo". Ashtekar è titolare della cattedra in Fisica presso la Penn State e direttore dell'Istituto dell'Università per la Gravitazione e il Cosmo. I coautori della carta, insieme a Ashtekar, sono stati i borsisti post-dottorati Agullo Ivan e William Nelson.
Il nuovo paradigma fornisce un quadro concettuale e la matematica per descrivere l'esotica "meccanica quantistica e geometrica dello spazio-tempo" nell'Universo neonato.

Nei primi momenti di vita, con densità inimmaginabili, l'Universo non era governato dalla fisica classica della teoria generale della relatività di Einstein, ma da una teoria ancora più fondamentale che incorpora anche le strane dinamiche della meccanica quantistica.

La densità di materia era enorme, presumibilmente circa 1094 grammi per centimetro cubo, rispetto alla densità di un nucleo atomico oggi, che è solo 10alla14 grammi.
In questo bizzarro ambiente quanto-meccanico, in cui si può parlare solo di probabilità degli eventi, piuttosto che di certezze, le proprietà fisiche erano molto diverse da quelle in cui viviamo oggi. Tra queste differenze, ha detto Ashtekar, il concetto di "tempo", così come le mutevoli dinamiche dei vari sistemi nel tempo, sperimentano il tessuto della geometria quantistica stessa.
Nessun osservatorio spaziale è stato in grado di rilevare tracce di questa epoca remota descritta dal nuovo paradigma. Ma un paio di osservatori si sono avvicinati. La radiazione cosmica di fondo è stata rilevata in un'epoca in cui l'Universo aveva solo 380 mila anni. A quel punto, dopo un periodo di rapida espansione detta "inflazione", l'Universo mutó in una versione diluita della sua precedente super-compressa.

All'inizio dell'inflazione, la densità dell'Universo era un trilione di volte inferiore a quella durante la sua infanzia e i fattori quantistici ora sono molto meno importanti nel governare le grandi dinamiche della materia e della geometria.

Le osservazioni della radiazione cosmica di fondo mostrano che l'Universo aveva una consistenza uniforme prevalentemente dopo il gonfiaggio, ad eccezione di una spruzzata luce di alcune regioni che erano più dense e altre che erano meno dense.
Il paradigma standard dell'inflazione per descrivere l'Universo primordiale, che utilizza le classiche equazioni standard di Einstein, trattano lo spazio-tempo come un continuum liscio.

"Il paradigma inflazionario gode di un notevole successo per spiegare le caratteristiche osservate della radiazione cosmica di fondo. Tuttavia questo modello è incompleto. Mantiene l'idea che l'Universo esplose dal nulla in un Big Bang, che deriva naturalmente dalla incapacità generale della fisica standard di descrivere bene le situazioni estreme della meccanica quantistica", ha detto Agullo. "Abbiamo bisogno di una teoria quantistica della gravità, come la cosmologia quantistica a loop, per andare al di là di Einstein, al fine di catturare la vera fisica vicino all'origine dell'Universo".

All'inizio del lavoro con la fisica quantistica a loop, Ashtekar e colleghi avevano aggiornato il concetto di Big Bang con il concetto intrigante di un Big Bounce, che prevede la possibilità che il nostro Universo non fosse emerso dal nulla, ma da un super-compressa massa di materia che in precedenza aveva aveva una storia a sé stante.

Anche se le condizioni della meccanica quantistica all'inizio dell'Universo fossero molto diverse condizioni dalla fisica classica dopo l'inflazione, la nuova realizzazione dai fisici della Penn State rivela una sorprendente connessione tra i due diversi paradigmi che descrivono queste epoche.

Quando gli scienziati hanno usato il paradigma dell'inflazione con le equazioni di Einstein per modellare l'evoluzione dei semi (le zone sparse in tutta la radiazione cosmica di fondo) hanno scoperto che le irregolarità fungevano da semi che si evolvevano nel corso del tempo negli ammassi di galassie e di altri grandi strutture che vediamo nell'Universo di oggi. Sorprendentemente, quando gli scienziati della Penn State hanno usato il loro nuovo paradigma con le sue equazioni della cosmologia quantistica, hanno scoperto che le fluttuazioni fondamentali nella natura stessa dello spazio al momento del Big Bounce si sono evolute per diventare come le strutture a semi viste nella radiazione cosmica di fondo.
"Il nostro nuovo lavoro mostra che le condizioni iniziali dell'Universo portano alla struttura a larga scala che osserviamo oggi", ha detto Ashtekar. "In termini umani, è come scattare una fotografia di un bambino alla nascita in cui poi siamo in grado di proiettarne un profilo preciso di come sarebbe all'età di 100".

"Questa carta spinge indietro la genesi della struttura cosmica del nostro Universo dall'epoca inflazionistica fino al Big Bounce, che copre circa 11 ordini di grandezza nella densità della materia e della curvatura dello spazio-tempo", ha detto Nelson. "Ora abbiamo ristretto le condizioni iniziali che possono esistere al tempo del Big Bounce, scoprendo che l'evoluzione di tali condizioni iniziali è d'accordo con le osservazioni della radiazione cosmica di fondo".

I risultati del team hanno anche individuato una gamma più ristretta di parametri per i quali il nuovo modello predice nuovi effetti, distinguendolo dall'inflazione standard. Ha detto Ashtekar, "É emozionante che ben presto saremo in grado di verificare le previsioni di queste due diverse teorie contro le future scoperte con le missioni di osservazione di prossima generazione. Tali esperimenti ci aiuteranno molto presto ad avere una comprensione più profonda dell'Universo".

La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation e sarà pubblicata l'11 dicembre del 2012 sul Physical Review Letters.

Foto In Alto
L'immagine mostra la potenza dello spettro della "Cosmic microwave background (CMB)" predetto nella "Loop Quantum Cosmology" e nello Scenario Inflazionario Standard.
I due differenti spettri sono contrastati per mostrare il loro andamento in funzione dell'inverso della durata delle onde nelle fluttuazioni delle microonde nello sfondo cosmico. Per molti dei parametri osservabili le onde k sono più grandi di 9 e le due previsioni sono indistinguibili.
(Credit: Image courtesy of Penn State)

Traduzione a cura di Arthur McPaul

Fonte:
http://www.sciencedaily.com/releases/2012/11/121129143452.htm

Galassie A Bit

Dal Big Bang al monitor del pc, tutta la storia del cosmo in pochi mesi.

A scriverla non la Natura, questa volta, bensì un nuovo software di simulazione chiamato Arepo. Grazie anche all’ausilio di Odissey (il supercomputer di Harvard con 1024 cpu, che per settimane ha macinato senza tregua le innumerevoli righe di codice), l’algoritmo messo a punto dagli scienziati dello Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) e dai loro colleghi dello Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS) ha restituito una cronaca virtuale dell’evolversi del cosmo ricca come non la si era vista mai. Come ha dichiarato Mark Vogelsberger, del CfA, «abbiamo ricreato le galassie che osserviamo nel nostro universo locale in tutta la loro varietà».

Già, la varietà. Perché i programmi che simulano la formazione delle galassie non mancano, ma quando poi le vai a vedere e le confronti con lo spettacolo che ci mostrano i telescopi, la delusione è grande. Lassù un cielo popolato da creature maestose, avvolte nelle loro eleganti spirali di stelle, come Andromeda, la Galassia Vortice o la Galassia Girandola, tanto per citarne tre. Impressi sul silicio, dopo giorni e giorni di complicatissimi calcoli, si ritrovano invece ammassi informi di bit, bolle irregolari di pixel nelle quali ritrovare anche solo la parvenza d’un disco, o le movenze d’un braccio di spirale, è un’impresa disperata.

Per non cadere nello stesso errore, i progettisti di Arepo hanno adottato una geometria originale. Invece di dividere l’universo in cubi di forma e dimensione immutabili, come fa la maggior parte dei software rivali, lo hanno frazionato seguendo le linee di una griglia flessibile, che si sposta e si espande nello spazio seguendo i movimenti del gas soggiacente, delle stelle, della materia oscura e dell’energia oscura. E lo fa partendo dalle origini: prendendo come input il bagliore residuo del Big Bang e immaginandone l’evolversi, passo dopo passo, lungo tutti i 14 miliardi di anni della storia del cosmo fino ai giorni nostri. Per poi confrontarlo con quanto effettivamente ci circonda.

I primi risultati sono descritti in tre articoli di prossima uscita su MNRAS, ma di strada per arrivare al traguardo Arepo ancora ne deve percorrere. Anzitutto, occorre aumentare il volume di cosmo simulato. Inoltre, la risoluzione va migliorata. Ma se tutto procederà come gli scienziati si augurano, presto potremmo avere il modello di universo più grande e più realistico mai realizzato.

A cura di Francesco Rea

Foto In Alto:
Un fotogramma, prodotto da Arepo, nel quale è chiaramente apprezzabile la sua capacità di dare forma a galassie a spirale realistiche. CfA/UCSD/HITS/M. Vogelsberger (CfA) e V. Springel (HITS)

A Cura Di Marco Malaspina

Fonte:
http://www.media.inaf.it/2012/08/16/galassie-di-bit/