UNA DIMENSIONE EXTRA PUÒ SPIEGARE LA MATERIA OSCURA

In uno studio pubblicato di recente, i fisici teorici delle particelle dell'Università della California Riverside propongono che la materia oscura potrebbe essere spiegata dall'esistenza di una nuova dimensione extra nello spazio-tempo.

In astrofisica, la materia oscura è una forma teorica di materia che costituisce circa l'85% della materia nell'universo. L'esistenza di questa forza invisibile è implicata attraverso una varietà di osservazioni nell'universo, inclusi effetti gravitazionali che non possono essere spiegati dalle teorie accettate della gravità. Poiché la materia oscura non sembra assorbire, riflettere o emettere radiazioni elettromagnetiche, misurare o fornire prove definitive della sua esistenza è rimasto elusivo.

In un documento di ricerca pubblicato sul Journal of High Energy Physics , un team di fisici dell'UC Riverside afferma che la presenza di una quarta dimensione potrebbe spiegare l'esistenza della materia oscura e spiegare perché rimane invisibile.

“Il nostro universo osservato ha tre dimensioni dello spazio. Proponiamo che ci possa essere una quarta dimensione che solo le forze oscure conoscono. La dimensione extra può spiegare perché la materia oscura si è nascosta così bene dai nostri tentativi di studiarla in laboratorio", ha affermato il dott. Flip Tanedo, assistente professore di fisica e astronomia all'Università di Riverside e coautore del nuovo studio, in un comunicato stampa .

L'esistenza di forze invisibili nell'universo fu proposta per la prima volta dal fisico matematico e ingegnere William Thomson nel 1884. Conosciuto anche come Lord Kelvin dopo essere stato il primo scienziato britannico ad essere elevato alla Camera dei Lord, Thomson stimò la massa della Via Lattea galassia differiva dalla massa delle stelle visibili, concludendo che "molte delle nostre stelle, forse la grande maggioranza di esse, forse corpi oscuri".

Nel secolo successivo, gli scienziati hanno fatto numerose osservazioni indirette a sostegno dell'esistenza proposta da Thomson di "corpi oscuri" o della presenza di un qualche tipo di materia invisibile che esercita un'influenza significativa sull'universo.

La prova principale dell'esistenza di una forza invisibile proviene da calcoli che mostrano che le galassie non si formerebbero o si muoverebbero come fanno se l'universo non contenesse una grande quantità di materia invisibile. Ulteriori prove sono state notate nelle misurazioni del fondo cosmico a microonde o con distorsioni dello spazio redshift.

Finora, gli scienziati non sono stati in grado di rilevare direttamente la materia oscura, portando la maggior parte dei fisici a concludere che la sostanza deve essere costituita da particelle non barioniche o particelle subatomiche la cui massa è inferiore a quella di un protone. Le prove indirette, tuttavia, sono state abbastanza forti da portare la maggior parte della comunità scientifica ad accettare in generale l'esistenza della materia oscura.

"Viviamo in un oceano di materia oscura, eppure sappiamo molto poco su cosa potrebbe essere", ha detto Tanedo. “È una delle incognite conosciute più irritanti in natura. Sappiamo che esiste, ma non sappiamo come cercarlo o perché non si è presentato dove ce lo aspettavamo».

Nel nuovo articolo, Tanedo e i suoi colleghi suggeriscono che le particelle di materia oscura non si comportano come particelle. Invece, le particelle invisibili possono interagire con altre particelle invisibili in un modo che le fa sì che non agiscano più come particelle.

"L'obiettivo del mio programma di ricerca negli ultimi due anni è estendere l'idea della materia oscura che 'parla' alle forze oscure", ha detto Tanedo nel comunicato stampa dell'UC Riverside. “Nell'ultimo decennio, i fisici hanno capito che, oltre alla materia oscura, le forze oscure nascoste possono governare le interazioni della materia oscura. Questi potrebbero riscrivere completamente le regole su come si dovrebbe cercare la materia oscura”.

Tanedo spiega che questa operazione di "forze oscure" può essere descritta matematicamente da una teoria che include una quarta dimensione in più. La materia oscura apparirebbe come una sequenza continua di particelle adiacenti all'interno di questa quarta dimensione proposta, consentendo l'autointerazione attraverso un continuum di stati di bassa massa. I ricercatori dicono che questo spiegherebbe come la materia oscura provochi alcuni dei comportamenti curiosi osservati nelle piccole galassie.

Sebbene l'esistenza di una nuova quarta dimensione suoni sensazionale, Tanedo ha spiegato che le extra-dimensioni sono semplicemente un trucco matematico per descrivere "teorie di campo conformi", o teorie tridimensionali ordinarie che sono altamente meccaniche quantistiche. L'idea che l'esistenza sia costituita da dimensioni extra è più comunemente indicata dalla Teoria delle Stringhe o dal principio olografico.

"Dal momento che queste teorie del campo conforme erano sia intrattabili che insolite, non erano state realmente applicate sistematicamente alla materia oscura", ha spiegato Tanedo, che afferma di essersi innamorato della fisica dopo aver letto The Physics of Star Trek. "Invece di usare quel linguaggio, lavoriamo con la teoria olografica extra-dimensionale".

LA MATERIA OSCURA

La materia oscura può interagire autonomamente attraverso un continuum di stati a bassa massa. Questo accade se la materia oscura si accoppia a un settore nascosto quasi conforme fortemente accoppiato. Questo tipo di teoria è descritto olograficamente dalla materia oscura localizzata nella brana che interagisce con i campi bulk in una fetta di spazio 5D anti-de Sitter. Il potenziale a lungo raggio in questo scenario dipende da un potere non intero della separazione spaziale, in contrasto con il potenziale Yukawa generato dallo scambio di un singolo mediatore 4D. La sezione trasversale di autointerazione risultante scala come una potenza di velocità non intera. Identifichiamo i regimi di Born, classico e risonante e li indaghiamo utilizzando metodi numerici all'avanguardia. Dimostriamo la fattibilità del nostro framework mediato dal continuo per affrontare le anomalie della struttura astrofisica su piccola scala. Indagando sul miglioramento di Sommerfeld mediato dal continuo, dimostriamo che può verificarsi un modello di risonanze a seconda della potenza non intera. Concludiamo che i mediatori continui introducono nuovi scaling della legge di potenza che aprono nuove possibilità per la fenomenologia dell'autointerazione della materia oscura.