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Materia oscura: viola il principio di parità?

Immaginiamo che l’intero universo possa riflettersi in un gigante specchio. Anche in questa versione cosmica ‘capovolta’, in linea teorica, tutte le leggi della fisica resterebbero valide. Si tratta di una simmetria nota come principio di parità, che indica appunto la capacità di un fenomeno di ripetersi immutato dopo un’inversione delle coordinate spaziali.

I fisici hanno trovato diverse prove della validità cosmica di questo principio. Ad esempio, è stato dimostrato che l’elettromagnetismo funziona allo stesso modo indipendentemente dal fatto che ci si trovi nel sistema originale o in un sistema a specchio in cui tutte le coordinate spaziali sono state capovolte.

Eppure, secondo un nuovo studio condotto dall’High Energy Accelerator Research Organization giapponese e dal Max Planck Institute for Astrophysics tedesco, la violazione della parità potrebbe essere la chiave per comprendere i più grandi misteri del cosmo: la materia e l’energia oscura. Insieme, questi due ineffabili ingredienti costituiscono oltre il 95% dell’universo.

Il che significa che tutte le particelle osservate fino a oggi occupano uno scarso 5% della massa e dell’energia conosciute. Tutto il resto è ancora da capire.

La nuova ricerca, pubblicata su Physical Review Letters, afferma che la materia e l’energia oscura potrebbero causare una violazione del principio di parità. Gli scienziati affermano di aver trovato questa violazione nella cosiddetta radiazione cosmica di fondo (o Cmb, dall’inglese cosmic microwave background), ovvero la radiazione elettromagnetica residua prodotta dal Big Bang che ancora oggi permea l’Universo.

In particolare, gli autori della ricerca si sono basati su misurazioni della Cmb effettuate dal satellite Planck dell’Esa.

La chiave di tutto è la luce polarizzata ‘intrappolata’ nella radiazione cosmica di fondo. La luce è un’onda elettromagnetica che si propaga. Quando è costituita da onde che oscillano in una direzione preferita, i fisici la definiscono ‘polarizzata’. Per intenderci, la luce che proviene dal Sole non è polarizzata perché è costituita da onde che si propagano in tutte le direzioni.

Invece la luce di un arcobaleno è polarizzata perché le sue onde seguono una direzione definita, venendo disperse dalle goccioline d’acqua nell’atmosfera. Allo stesso modo, la luce dello sfondo cosmico a microonde è stata polarizzata quando è stata diffusa dagli elettroni, circa 400.000 anni dopo il Big Bang.

I dati di Planck mostrano che questa luce polarizzata, che ha viaggiato attraverso l’universo per 13,8 miliardi di anni, potrebbe aver interagito con la materia o l’energia oscura, che a sua volta avrebbero fatto ruotare il piano di polarizzazione. In altri termini, avrebbero violato il principio di parità.

Gli autori dello studio parlano di una precisione delle misure del 99,2% – esiste quindi ancora un certo margine di errore. Ma se questi dati fossero confermati, ecco che la violazione di una importante teoria della fisica classica potrebbe aiutare a risolvere l’enigma della materia e dell’energia oscura.

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Mentre la luce del fondo cosmico a microonde emessa 13,8 miliardi di anni fa (immagine a sinistra) viaggia nell’universo fino a quando non viene osservata dai rivelatori di Planck (immagine a destra), la direzione in cui oscilla l’onda elettromagnetica (linea arancione) viene ruotata di un angolo beta. La rotazione potrebbe essere causata dalla materia oscura – o dall’energia oscura – che interagisce con la luce del fondo cosmico a microonde, che cambia il pattern di polarizzazione (linee nere all’interno delle immagini). Le regioni rosse e blu indicano rispettivamente regioni calde e fredde del fondo cosmico a microonde. Crediti: Y. Minami / Kek

«Se la materia oscura o l’energia oscura interagiscono con la luce del fondo cosmico a microonde in un modo che viola la simmetria di parità, possiamo trovare la sua firma nei dati di polarizzazione», dice infatti il primo autore, Yuto Minami, borsista postdoc all’Institute of Particle and Nuclear Studies del Kek, a Tsukuba (Giappone).

Il problema di quest’ipotesi, dal punto di vista sperimentale, è che misurare con precisione lo sfasamento angolare è tutt’altro che semplice. I dati in polarizzazione del telescopio spaziale Planck dell’Esa, presentati nel 2018, sarebbero adeguati a questo scopo, se non fosse che risentono di un’incertezza sistematica per quanto riguarda il valore assoluto degli angoli di polarizzazione.

In particolare, senza sapere con sufficiente precisione come siano orientati rispetto al cielo i rivelatori sensibili alla polarizzazione di Planck, si rischia d’introdurre una sorta di “rotazione artificiale” nella misura dell’angolo di polarizzazione cosmica beta. Ma Minami e il suo collega, Eiichiro Komatsu, hanno escogitato un sistema per aggirare quest’incertezza.

«Abbiamo sviluppato un nuovo metodo che ci consente di determinare l’entità della rotazione artificiale utilizzando la luce polarizzata emessa dalla polvere della Via Lattea», spiega Minami. «Con questo metodo, abbiamo raggiunto una precisione doppia rispetto a quella ottenuta in precedenza, riuscendo così finalmente a misurare l’angolo beta».

In pratica, i due scienziati hanno usato la polarizzazione della polvere presente nella Via Lattea come una sorta di calibratore, avvalendosi del fatto che la distanza percorsa dalla luce emessa dalla polvere è molto più breve di quella percorsa dal fondo cosmico a microonde.

Ciò implica che l’emissione della polvere non è influenzata dalla materia oscura o dall’energia oscura. L’angolo di sfasamento beta, dunque, è presente solo nella luce del fondo cosmico a microonde. La rotazione artificiale dovuta ai rivelatori, al contrario, influenza entrambe le sorgenti.

La differenza fra l’angolo di polarizzazione misurato per la polvere e quello misurato per la Cmb può quindi essere utilizzata per calcolare beta. Il risultato è pari a 0.35±0.14 gradi, con un livello di confidenza del 68 per cento. Ciò significa che si può escludere che l’angolo beta sia pari a zero – e dunque si può ritenere che ci sia violazione di parità dovuta alla materia oscura o all’energia oscura – con un livello di confidenza, questa volta, del 99.2 per cento.

È presto per buttare via i libri di fisica, o anche solo per mettere mano a Wikipedia. Un livello di confidenza del 99.2 per cento può infatti sembrare elevato, ma in realtà non arriva nemmeno a tre sigma, quando l’asticella da valicare affinché una scoperta possa dire d’aver superato l’esame di validità statistica, in campo fisico, è tradizionalmente posta a cinque sigma.

Ma il 99.2 per cento è comunque un livello sufficiente sia per meritare la pubblicazione su Physical Review Letters (con tanto di “Editors’ Suggestion”, l’ambito timbro di “consigliato ai lettori”) sia per confermare – se mai ce ne fosse ancora bisogno, dopo quel che è accaduto con Bicep2  – che l’obiettivo principale della cosmologia osservativa è oggi quello di ottenere misure il più possibile precise e pulite della polarizzazione del fondo cosmico microonde.

Principio di parità

In fisica, per parità si intende la proprietà di un fenomeno di ripetersi immutato dopo un’inversione delle coordinate spaziali.

Quando ciò avviene si dice che la parità si conserva, non si conserva in caso contrario. Quest’ultima possibilità fu a lungo trascurata poiché dalla meccanica classica si pensava che tutte le forze fondamentali conservassero la parità. In realtà essa si conserva per l’elettromagnetismo, l’interazione gravitazionale e l’interazione forte, ma non per le interazioni deboli.

Un’inversione (o trasformazione) di parità vuol dire cambiare di segno simultaneamente alle tre coordinate spaziali:

Una rappresentazione tramite matrice 3×3 di P avrà determinante uguale a -1, e dunque non si può ridurre ad una rotazione. Nel piano la parità non equivale ad una rotazione di 180°. Infatti il determinante della matrice P dev’essere -1, cosa che non accade per una rotazione in 2-D. In tal caso una trasformazione di parità scambia il segno di x o y, non entrambi.

In meccanica quantistica le trasformazioni spazio-tempo agiscono su uno stato quantico. L’operatore parità P, è un operatore lineare agente su uno stato ψ tale che:

Si può avere

perciò la fase generale di uno stato non è osservabile.

L’operatore P2, che inverte due volte la parità di uno stato, lascia invariante lo spazio-tempo. È quindi una simmetria interna che ruota i suoi autovalori di una fase ei φ. Se P2 è un elemento di un gruppo di simmetria continuo U(1), con fase di rotazione ei Q, allora e-i Q/2 fa parte di U(1) ed è anch’esso una simmetria.

In particolare possiamo definire

che è ancora una simmetria e dunque siamo liberi di chiamare P’ invece di P il nostro operatore di parità. Attenzione però che P’2=1 e cioè P’ ha autovalori ±1. Ad ogni modo, quando non esiste nessun gruppo di simmetria, le trasformazioni di parità hanno autovalori con fase diversa da ±1.

Violazione della parità

Il Modello Standard include la violazione della parità esprimendo la forza debole come una interazione asimmetrica di scala. Solo particelle levogire e antiparticelle destrogire partecipano a tale interazione. Ciò implica che la parità non è simmetrica per il nostro universo, a meno che non esista una zona della materia oscura in cui la parità sia violata in maniera opposta.

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Una rappresentazione bidimensionale è data da una coppia di stati quantici che si scambiano di parità. Questo processo non è altro che una combinazione lineare degli stati, ognuno dei quali è pari o dispari. In sostanza, tutte le rappresentazioni irriducibili di parità sono monodimensionali.

La scoperta della violazione di parità fu suggerita diverse volte prima che ve ne fosse un’evidenza sperimentale. Ma una attenta analisi teorica del fenomeno si ebbe soltanto nei primi anni cinquanta da parte di Tsung Dao Lee e Chen Ning Yang, due fisici di origine cinese allievi di Fermi all’Università di Chicago.

Essi mostrarono che mentre la conservazione della parità era stata verificata nei decadimenti per interazione forte o elettromagnetica, non era ancora provata nell’interazione debole. Proposero quindi diversi possibili esperimenti di verifica, ma molti li ignorarono.

Tuttavia, Lee convinse la sua collega alla Columbia University, Chien-Shiung Wu a compiere un test sul decadimento dei raggi beta. Wu aveva bisogno di apparecchiature criogeniche e tecnici, perciò l’esperimento si svolse al National Bureau of Standards.

Così nell’inverno tra il 1956 e il 1957 Wu, E. Ambler, R. W. Hayward, D. D. Hoppes, e R. P. Hudson effettuarono il cosiddetto esperimento di Wu, trovando una chiara violazione della parità nel decadimento beta del cobalto-60.

Mentre si compivano delle controprove sperimentali, Wu informò i suoi colleghi alla Columbia dei risultati ottenuti. Tre di loro, Richard Garwin, Leon Max Lederman, e R. Weinrich modificarono un ciclotrone che avevano in laboratorio, per verificare immediatamente lo stesso fenomeno. E in effetti notarono che se si inverte lo spin dei nuclei si inverte anche la direzione privilegiata di emissione degli elettroni.

Essi ritardarono la pubblicazione del loro risultato finché anche il team di Wu non fu pronto, e i due articoli apparvero uno dopo l’altro.

Dopo questi eventi, si scoprì che un esperimento del 1928 riportava in realtà una violazione della parità nei decadimenti deboli, ma poiché i concetti teorici utili a spiegarla non erano ancora stati elaborati, la scoperta rimase sconosciuta a gran parte della comunità scientifica.

Planck non trova tracce di nuove anomalie cosmiche

Gli ultimi risultati di Planck provengono da un’analisi della polarizzazione della radiazione Cosmic Microwave Background (CMB), la luce più antica della storia cosmica, rilasciata quando l’Universo aveva solo 380.000 anni.

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Data: 06 giugno 2019 Satellite: Planck Copyright: ESA / Planck Collaboration

L’analisi iniziale del satellite, resa pubblica nel 2013 , si è concentrata sulla temperatura di questa radiazione nel cielo. Ciò consente agli astronomi di indagare sull’origine e l’evoluzione del cosmo.

Mentre per lo più ha confermato l’immagine standard di come si evolve il nostro universo, la prima mappa di Planck ha anche rivelato una serie di anomalie difficili da spiegare all’interno del modello standard di cosmologia.

Le anomalie sono deboli tratti del cielo che appaiono a grandi scale angolari. Non sono sicuramente artefatti prodotti dal comportamento del satellite o dall’elaborazione dei dati, ma sono abbastanza deboli da poter essere un colpo di fortuna statistico – fluttuazioni estremamente rare ma non del tutto escluse dal modello standard.

In alternativa, le anomalie potrebbero essere un segno di “nuova fisica”, il termine usato per processi naturali non ancora riconosciuti che estenderebbero le leggi note della fisica.

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La polarizzazione CMB su grandi scale angolari. Credito: ESA / Planck Collaboration

Per sondare ulteriormente la natura delle anomalie, il team di Planck ha esaminato la polarizzazione della CMB, che è stata rivelata dopo un’analisi scrupolosa dei dati multifrequenza progettati per eliminare le fonti in primo piano di emissione di microonde, inclusi gas e polvere nel nostro latte Via galassia.

Questo segnale è la migliore misura fino ad oggi dei cosiddetti E-mode di polarizzazione CMB, e risale al tempo in cui i primi atomi si formarono nell’Universo e il CMB fu rilasciato. È prodotto dal modo in cui la luce viene dispersa dalle particelle di elettroni appena prima che gli elettroni fossero raccolti in atomi di idrogeno.

La polarizzazione fornisce una visione quasi indipendente della CMB, quindi se le anomalie dovessero presentarsi anche lì, ciò aumenterebbe la fiducia degli astronomi che potrebbero essere causate dalla nuova fisica piuttosto che essere un colpo di fortuna statistico.

Sebbene Planck non fosse originariamente progettato per concentrarsi sulla polarizzazione, le sue osservazioni sono state utilizzate per creare le mappe di tutto il cielo più accurate fino ad oggi della polarizzazione CMB. Queste sono state pubblicate nel 2018 , migliorando notevolmente la qualità delle prime mappe di polarizzazione di Planck, rilasciate nel 2015 .

Quando il team di Planck ha esaminato questi dati, non ha visto alcun segno evidente delle anomalie. Nella migliore delle ipotesi, l’analisi, pubblicata oggi su Astronomy and Astrophysics , ha rivelato alcuni indizi deboli che alcune delle anomalie potrebbero essere presenti.

” Le misurazioni della polarizzazione di Planck sono fantastiche “, afferma Jan Tauber, scienziato del progetto Planck dell’ESA. ” Eppure, nonostante i grandi dati che abbiamo, non vediamo tracce significative di anomalie “.

A prima vista, questo sembrerebbe rendere le anomalie più probabili essere un colpo di fortuna statistico, ma in realtà non esclude la nuova fisica perché la natura potrebbe essere più complicata di quanto immaginiamo.

Non ci sono ancora ipotesi convincenti su quale tipo di nuova fisica potrebbe causare le anomalie. Quindi, potrebbe essere che il fenomeno responsabile influenzi solo la temperatura della CMB, ma non la polarizzazione. Da questo punto di vista, sebbene la nuova analisi non confermi che sia in atto una nuova fisica, le pone vincoli importanti.

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Data: 06 giugno 2019 Satellite: Planck Copyright: ESA / Planck Collaboration

L’anomalia più grave che si è manifestata nella mappa della temperatura CMB è un deficit nel segnale osservato a grandi scale angolari nel cielo , intorno ai cinque gradi: a confronto, la Luna piena si estende per circa mezzo grado.

A queste grandi scale, le misurazioni di Planck sono circa il dieci per cento più deboli di quanto prevedrebbe il modello standard di cosmologia.

Planck ha anche confermato, con elevata confidenza statistica, altri tratti anomali che erano stati accennati in precedenti osservazioni della temperatura CMB, come una significativa discrepanza del segnale osservata nei due emisferi opposti del cielo, e un cosiddetto ‘ punto freddo ‘- un grande punto a bassa temperatura con un profilo di temperatura insolitamente ripido.

” Abbiamo detto al momento della prima versione che Planck avrebbe testato le anomalie utilizzando i suoi dati di polarizzazione. Il primo set di mappe di polarizzazione che sono abbastanza pulite per questo scopo è stato rilasciato nel 2018, ora abbiamo i risultati “, afferma Krzysztof M Górski, uno degli autori del nuovo articolo, del Jet Propulsion Laboratory (JPL), Caltech, USA.

Sfortunatamente, i nuovi dati non hanno ampliato il dibattito, poiché gli ultimi risultati non confermano né smentiscono la natura delle anomalie.

” Abbiamo alcuni indizi che, nelle mappe di polarizzazione, potrebbe esserci un’asimmetria di potenza simile a quella che si osserva nelle mappe di temperatura, sebbene rimanga statisticamente poco convincente “, aggiunge Enrique Martínez González, anche un coautore dell’articolo , dall’Instituto de Física de Cantabria a Santander, Spagna.

Sebbene siano in corso ulteriori analisi dei risultati di Planck, è improbabile che producano risultati significativamente nuovi su questo argomento. Il percorso ovvio per fare progressi è per una missione dedicata appositamente progettata e ottimizzata per studiare la polarizzazione CMB, ma questo è almeno da 10 a 15 anni nel futuro.

” Planck ci ha fornito i migliori dati che avremo per almeno un decennio “, afferma il coautore Anthony Banday dell’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie a Tolosa, in Francia.

Nel frattempo, il mistero delle anomalie continua.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Planck 2018 risultati. VII. Isotropy and Statistics of the CMB ” di Planck Collaboration è pubblicato su Astronomy & Astrophysics .
  2. New Extraction of the Cosmic Birefringence from the Planck 2018 Polarization Data – Yuto Minami and Eiichiro Komatsu – Phys. Rev. Lett. 125, 221301 – Published 23 November 2020
  3. CP violation, by I.I. Bigi and A.I. Sanda (ISBN 0-521-44349-0)
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