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La materia oscura, la sostanza sfuggente che rappresenta la maggior parte della massa nell'universo, potrebbe essere costituita da particelle massicce chiamate gravitoni che sono apparse per la prima volta subito dopo il Big Bang. E queste ipotetiche particelle potrebbero essere rifugiati cosmici da dimensioni extra, suggerisce una nuova teoria.
"I gravitoni massicci sono prodotti da collisioni di particelle ordinarie nell'universo primordiale. Si credeva che questo processo fosse troppo raro perché i gravitoni massicci potessero essere candidati della materia oscura", ha dichiarato a Live Science il co-autore dello studio Giacomo Cacciapaglia, fisico dell'Università di Lione in Francia.
Ma in un nuovo studio pubblicato a febbraio sulla rivista Lettere di revisione fisica Cacciapaglia, insieme ai fisici dell'Università coreana Haiying Cai e Seung J. Lee, ha scoperto che questi gravitoni sarebbero nati in abbastanza quantità nell'universo primordiale da spiegare tutta la materia oscura che attualmente rileviamo nell'universo.
I gravitoni, se esistono, hanno una massa inferiore a 1 megaelettronvolt (MeV), quindi non più del doppio della massa di un elettrone, secondo il nuovo studio. Questo livello di massa è ben al di sotto della scala alla quale il bosone di Higgs genera massa per la materia ordinaria, e questa è la ragione, secondo il modello, che spiega tutta la materia oscura nell'universo. (Per confronto, la particella più leggera conosciuta, il neutrino, pesa meno di 2 elettronvolt, mentre un protone pesa circa 940 MeV, secondo l’Istituto Nazionale di Standard e Tecnologia).
Il team ha trovato questi ipotetici gravitoni mentre cercava prove di dimensioni extra, che alcuni fisici sospettano esistano accanto alle tre dimensioni osservate dello spazio e alla quarta dimensione, il tempo. Nella teoria del team, quando la gravità si propaga attraverso dimensioni extra, si materializza nel nostro universo come gravitoni massicci.
Ma queste particelle interagirebbero solo debolmente con la materia ordinaria, e solo attraverso la forza di gravità. Questa descrizione è stranamente simile a ciò che sappiamo sulla materia oscura, che non interagisce con la luce ma ha un'influenza gravitazionale sentita ovunque nell'universo. Questa influenza gravitazionale, per esempio, è ciò che impedisce alla materia delle galassie di disperdersi nell’universo.
"Il vantaggio principale dei gravitoni massicci come particelle di materia oscura è che interagiscono solo gravitazionalmente, quindi possono sfuggire ai tentativi di rilevarne la presenza", ha spiegato Cacciapaglia. Al contrario, altri candidati proposti per la materia oscura, come le particelle massicce assioni e neutrini debolmente interagenti, potrebbero anche essere percepiti dalle loro interazioni molto sottili con altre forze e campi. Il fatto che i gravitoni massicci interagiscano a malapena attraverso la gravità con le altre particelle e forze nell'universo offre un altro vantaggio.
"A causa delle loro interazioni molto deboli, decadono così lentamente che rimangono stabili per tutta la vita dell'universo", ha affermato Cacciapaglia, "Per lo stesso motivo, vengono lentamente prodotti durante l'espansione dell'universo e si accumulano". In passato, i fisici pensavano che i gravitoni fossero improbabili candidati alla materia oscura perché i processi che li creano sono estremamente rari. Di conseguenza, i gravitoni verrebbero creati a velocità molto più basse rispetto ad altre particelle.
Ma il team ha scoperto che nel picosecondo (trilionesimo di secondo) dopo il Big Bang, sarebbero stati creati più gravitoni di quanto suggerito dalle teorie passate. Questa scoperta spiega completamente la quantità di materia oscura che rileviamo nell'universo, secondo lo studio.
"Abbiamo dovuto eseguire molti controlli per assicurarci che il risultato fosse corretto, in quanto si traduce in un cambiamento di paradigma nel modo in cui consideriamo i gravitoni massicci come potenziali candidati alla materia oscura" ha spiegato Cacciapaglia.
La teoria del team collega la fisica studiata presso acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider con la fisica della gravità. Ciò significa che potenti acceleratori di particelle come il Future Circular Collider del CERN, che dovrebbe iniziare a funzionare nel 2035, potrebbero andare a caccia di prove di queste potenziali particelle di materia oscura.