Rottura della simmetria nei "tetraedri galattici" legata alla violazione della parità - Physics World

Rottura della simmetria nei "tetraedri galattici" legata alla violazione della parità - Physics World

Timestamp: 13 giugno 2023 9:58

Galassie JWST
Violazione della parità: immagine delle galassie ripresa dal James Webb Space Telescope. Gli astronomi hanno trovato prove che la violazione della parità nell'universo primordiale influisce sulla distribuzione delle galassie oggi. (Per gentile concessione: NASA/ESA/CSA/JWST)

Gli astronomi negli Stati Uniti hanno scoperto un'asimmetria inaspettata nelle posizioni relative delle galassie che sono centinaia di milioni di luce-anni di distanza. Il fenomeno potrebbe essere spiegato da una rottura della simmetria delle leggi della natura che si ritiene sia avvenuta poco dopo il Big Bang. Di conseguenza, l'osservazione potrebbe aiutare a spiegare perché sembra esserci molta più materia che antimateria nell'universo osservabile.

La scoperta è stata fatta analizzando un database di oltre un milione di galassie osservate dal Indagine spettroscopica sull'oscillazione barionica (CAPO). La ricerca è stata fatta da Jiamin Hou ed Zaccaria Slepian presso l'Università della Florida, e Roberto Cahn al Lawrence Berkeley National Laboratory in California, che ha trovato lo schema inaspettato.

L'osservazione è correlata alla simmetria di parità, che si applica alle interazioni elettromagnetiche e gravitazionali a lungo raggio nel Modello standard della fisica delle particelle. La parità richiede che un sistema fisico si comporti allo stesso modo della sua immagine speculare. Le mani umane, ad esempio, sono l'immagine speculare l'una dell'altra, ma le leggi della fisica si applicano ugualmente alla mano destra e sinistra.

Violazione della parità

Nel mondo microscopico, tuttavia, la simmetria di parità può essere violata dall'interazione debole e possibilmente dall'interazione forte, che agiscono entrambe a distanze molto brevi.

Il trio ha esplorato la simmetria di parità su scala molto ampia tracciando linee tra quadruple di galassie che sono separate da distanze comprese tra 65 milioni e 500 milioni di luce-anni. Come hanno mostrato in un recente articolo in Physical Review Letters, i tetraedri creati da questo esercizio potrebbero quindi essere analizzati per prove di violazione della parità.

Ora riportano il risultato di tale studio, che Slepian descrive come una "grande sorpresa".

Il team ha definito i tetraedri galattici destri e mancini in base a come le galassie erano collegate ai loro partner più vicini e più lontani. Hanno scoperto che c'erano molte più galassie con un tipo di manualità rispetto all'altro.

Tetraedri galattici

"Per ogni data distribuzione di galassie assumiamo che il raggruppamento sia invariante rispetto alla rotazione attorno a qualsiasi galassia", spiega Slepian. “Quindi, se sono seduto in una galassia, dovrei vedere che lo schema di raggruppamento è in media lo stesso ovunque ruoti la testa e guardi. Invece vediamo un eccesso di tetraedri sulle loro immagini speculari.

Nonostante la forza dell'effetto, la ragione di questa manualità rimane un mistero. La gravità è l'unica forza conosciuta che può agire sulle enormi distanze che separano le galassie e non dovrebbe violare la parità. Invece, Slepian afferma che l'asimmetria “deve essere stata impressa anche prima nella storia dell'universo, quando erano in gioco altre forze”.

Questo ci riporta indietro nel tempo al periodo dell'inflazione cosmica, avvenuta intorno al 10-33 è dopo il Big Bang. A questo punto l'universo conobbe un breve periodo di espansione estremamente rapida. I fisici ritengono che le fluttuazioni quantistiche durante l'inflazione si siano espanse fino a diventare la struttura su larga scala dell'universo. Pertanto, qualsiasi violazione della parità presente durante l'inflazione potrebbe rimanere impressa nel modo in cui le galassie sono distribuite nell'universo 13.7 miliardi di anni dopo.

 L'origine di questa violazione della parità rimane sconosciuta. "Potrebbe essere stata una nuova forza, o una nuova particella, ad agire su scala quantistica in quel momento", dice Slepian.

Antimateria mancante

Questa potenziale osservazione della violazione della parità nel modo in cui le galassie sono distribuite è una notizia entusiasmante. Oltre a suggerire l'esistenza della fisica oltre il Modello standard, potrebbe anche aiutare a risolvere un altro dei misteri più profondi della fisica: perché c'è molta più materia che antimateria nell'universo.

Il Modello Standard prevede che nel Big Bang si sarebbero dovute formare uguali quantità di materia e antimateria. Se ciò fosse accaduto, materia e antimateria si sarebbero annientate a vicenda, lasciando l'universo senza nessuna delle due. Fortunatamente per noi sembra che ci sia stato un eccesso di materia rimasta - un fenomeno chiamato bariogenesi.

È possibile che il meccanismo che ha causato la violazione della parità che ha portato a quest'ultima osservazione astronomica possa anche essere correlato alla bariogenesi.

"Esiste una serie di meccanismi che possono causare la violazione della parità, tutti piuttosto speculativi", afferma Slepian. Cita ipotetiche particelle chiamate assioni, o una delle forze fondamentali che si comportano diversamente nelle alte energie del Big Bang. "Sebbene non sia garantito che qualunque meccanismo stia producendo questa violazione di parità nelle galassie possa anche spiegare la bariogenesi, penso che potrebbe esserci certamente una relazione".

Sebbene l'esistenza di questa asimmetria galattica non sia stata stabilita al di là di ogni dubbio, i risultati forniscono una forte evidenza dell'inflazione e della fisica oltre il Modello standard. Tuttavia, un errore sistematico nei dati potrebbe essere responsabile dell'osservazione. "Mi sentirò molto meglio una volta che lo stesso segnale sarà visto in un set di dati diverso preso da uno strumento diverso con software diverso e persone diverse", dice Slepian.

Slepian, Hou e Cahn sono tutti membri del team scientifico del Strumento spettroscopico a energia oscura (DESI) all'Osservatorio Nazionale di Kitt Peak. Osserverà oltre 35 milioni di galassie e il trio intende utilizzare DESI per effettuare ulteriori osservazioni per confermare le proprie scoperte.

I risultati sono descritti in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.

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