Un nuovo studio, condotto per comprendere meglio l’origine dell’universo, ha fornito informazioni su alcune delle questioni più dibattute della fisica fondamentale: come si spiega l’eccesso cosmologico della materia rispetto all’antimateria? Cos’è la materia oscura? E qual è l’origine teorica dell’inattesa simmetria osservata nella forza che lega insieme protoni e neutroni?

Nello studio Axiogenesis, in pubblicazione il prossimo il 17 marzo su Physical Review Letters, i ricercatori Keisuke Harigaya, della School of Natural Sciences presso l’Institute for Advanced Study, e Raymond T. Co dell’Università del Michigan, l’assione della cromodinamica quantistica (QCD), teorizzato per la prima volta nel 1977, fornisce possibili risposte a queste domande.

«Abbiamo rivelato che la rotazione dell’assione QCD può spiegare l’eccesso di materia presente nell’universo», ha affermato Harigaya. «Abbiamo chiamato questo meccanismo axiogenesis».

Infinitamente leggero, l’assione QCD – almeno un miliardo di volte più leggero di un protone – è quasi simile a un fantasma. Milioni di queste particelle passano attraverso la materia ordinaria ogni secondo senza essere viste. Tuttavia, l’interazione a livello subatomico dell’assione QCD può ancora lasciare segnali rilevabili in esperimenti ad altissima sensibilità. Sebbene l’assione QCD non sia mai stato rilevato direttamente, questo studio fornisce nuovi strumenti ai ricercatori per individuare la particella sfuggente.

«La versatilità dell’assione QCD nel risolvere i misteri della fisica fondamentale è davvero sorprendente», ha dichiarato Co. «Siamo entusiasti delle possibilità teoriche inesplorate che questo nuovo aspetto dell’assione QCD può offrire».

Harigaya e Co affermano che l’assione QCD è in grado di rappresentare, contemporaneamente, tre pezzi mancanti del puzzle della fisica fondamentale. Innanzitutto, l’assione QCD è stato proposto per spiegare il cosiddetto problema della CP forte, secondo cui la forza forte, che lega insieme protoni e neutroni, preserva inaspettatamente una simmetria chiamata simmetria di Charge Parity (CP). In secondo luogo, si è scoperto che l’assione QCD è un buon candidato per la materia oscura, offrendo quello che potrebbe essere un importante passo avanti nella comprensione della composizione di circa l’80% della massa dell’universo che non è mai stata osservata direttamente.

Mappa tridimensionale della materia oscura elaborata da NASA, ESA e R. Massey (CALTECH)

Nel loro lavoro sull’universo primordiale, Harigaya e Co hanno determinato che l’assione QCD può anche spiegare il problema dell’asimmetria materia-antimateria. Quando le particelle di materia e antimateria interagiscono si annichilano reciprocamente. Nella prima frazione di secondo dopo il Big Bang, materia e antimateria esistevano in egual misura. Questa simmetria impediva il predominio di un tipo di materia sull’altro. Oggi l’universo è pieno di materia, indicando che questa simmetria deve essere stata spezzata. Harigaya e Co citano l’assione QCD come colpevole. L’energia cinetica, derivante dal moto dell’asse QCD, produceva barioni supplementari o materia ordinaria. Questa leggera inclinazione della scala a favore della materia avrebbe avuto un pronunciato effetto a catena, aprendo la strada all’universo come è noto oggi.

Una maggiore comprensione delle dinamiche recentemente scoperte legate all’assione QCD potrebbe portarci dunque a dover rivedere la storia dell’espansione dell’universo, dando informazioni anche sullo studio delle onde gravitazionali. I lavori futuri su questo argomento potrebbero anche fornire ulteriori approfondimenti su altre questioni della fisica fondamentale, come l’origine della piccola massa dei neutrini.

Lo studio in pre-print può essere trovato qui.

Nell’immagine di alto: la rotazione dell’assione QCD (sfera nera) produce un eccesso di materia (sfere colorate) sull’antimateria, consentendo l’esistenza del mondo come lo conosciamo oggi.