“Scuotendo il tessuto dello spaziotempo” per ricreare la “materia Quark” del Big Bang

La sopravvivenza di massicce stelle di neutroni ci direbbe immediatamente che non esiste una sola particella di materia oscura, ma tutta una serie di particelle scure con le loro forze oscure

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Fusione di stelle di neutroni

La massa visibile nell’Universo emerse quando gli adronii mattoni costitutivi dei nuclei atomici – si formarono da una caldissima palla di fuoco composta da quark e gluoni. Questo meccanismo è stato ora studiato nella materia ricca di barioni a temperature relativamente basse.

Quando le temperature aumentano a trilioni di gradi, le particelle all’interno degli atomi iniziano a mutare in nuovi stati non atomici. Quando due stelle di neutroni si fondono, i protoni ed i neutroni all’interno della sfera di fuoco della fusione raggiungono una densità altissima.

I fisici stanno mappando queste fasi esotiche, che si ritiene si siano verificate durante il Big Bang, e che dovrebbero verificarsi nelle collisioni di stelle di neutroni e nei potenti impatti di raggi cosmici, in un esperimento in Germania chiamato High Acceptance DiElectron Spectrometer (HADES). L’esperimento, riportato in Nature Physics, è il primo a misurare la temperatura della materia di quark in condizioni affini a quelle di una collisione tra stelle di neutroni, dove la maggior parte delle particelle sono composte di materia (e non di antimateria).

Quando due stelle di neutroni – nuclei super densi di stelle morte in cui un cucchiaino di neutroni peserebbe circa 10 milioni di tonnellate – (o una stella di neutroni e un buco nero) si fondono, scuotono il tessuto dello spazio-tempo e innescano esplosioni chiamate kilonovae.

Nel 2017, un gruppo internazionale di astronomi e fisici ha riportato con entusiasmo la prima rilevazione simultanea di onde luminose e gravitazionali dalla stessa fonte, una fusione di due stelle di neutroni.

Nel mondo dell’astrofisica, il 17 agosto 2017, è stata una giornata a lettere cubitali. “Questo è un punto di svolta per l’astrofisica“, dichiarò il membro della facoltà della UC Santa Barbara Andy Howell, che guida il gruppo di studio delle supernova all’Osservatorio di Las Cumbres (LCO). “Cento anni dopo che Einstein ha teorizzato le onde gravitazionali, le abbiamo viste e ricondotte alla loro fonte, individuando un’esplosione con una nuova fisica del tipo che abbiamo solo sognato.”

Per imitare queste condizioni, il team HADES ha colpito un bersaglio d’oro con atomi d’oro in movimento quasi alla velocità della luce, creando una massa di centinaia di protoni e neutroni così densi che la teoria non poteva prevedere in modo conclusivo cosa sarebbe successo. L’esplosione risultante si è conclusa in un lampo e le coppie elettrone-positrone si sono accumulate nel rivelatore che circonda il luogo dell’incidente.

HADES ha fornito una visione più diretta delle fasi della “materia di quark” che si ritiene essere quella che riempie i nuclei delle stelle di neutroni in fusione. “È una regione su cui nessuno ha ancora lavorato, per quanto ne so“, ha detto Gene Van Buren, fisico del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) di New York, che sta studiando una tipologia di quark ad energia più elevata chiamata plasma al quark-gluone. “È piuttosto eccitante“.

La teoria della forza forte, chiamata cromodinamica quantistica (QCD)“, ha scritto Charlie Wood a Quanta Magazine, “è così complicata che nessuno è stato in grado di prevedere esattamente come la materia si comporterà a temperature e densità elevate. I teorici hanno sviluppato una serie di schemi di approssimazione validi in determinate situazioni, ma le grandi incertezze rendono difficile estenderle. Esperimenti come HADES mirano a colmare manualmente le lacune lasciate dalla teoria

Con la collaborazione di HADES, non appena si forma la materia di quark, questa inizia subito a creare particelle composte di breve durata chiamate mesoni rho, ciascuna composta da un quark e un antiquark. I mesoni rho si trasformano immediatamente in fugaci fotoni “virtuali”, ognuno dei quali si divide in un elettrone e nel suo gemello di antimateria, un positrone. Queste particelle trasportano informazioni sui primi momenti della questione fino al rivelatore HADES.

Non c’è altro che si possa osservare che possa fornire informazioni così ricche“, ha dichiarato Tetyana Galatyuk, uno dei 200 membri della collaborazione HADES.

Le stelle di neutroni potrebbero rivelare il lato oscuro del nostro universo

Se scoprissimo decadimenti di neutroni esotici, impareremmo anche qualcosa di straordinario sul lato oscuro del nostro universo: la sopravvivenza di massicce stelle di neutroni ci direbbe immediatamente che non esiste una sola particella di materia oscura, ma tutta una serie di particelle scure con le loro forze oscure“, ha dichiarato Jessie Shelton, fisica dell’Università dell’Università dell’Illinois, che cui sono stati assegnati premi dal MIT e dalla LHC Theory Initiative lavorando su una vasta gamma di argomenti nella fisica delle particelle oltre il modello Standard, con interessi particolari nella materia oscura, nei quark top e nel bosone di Higgs.

Fonte: Nature