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Alla ricerca della materia oscura attraverso la quinta dimensione

This image was produced by a simulation showing the evolution of dark matter in the universe. (Credit: Milennium-II Simulation)

I fisici teorici del PRISMA + Cluster of Excellence dell’Università Johannes Gutenberg di Mainz stanno lavorando a una teoria che va oltre il Modello Standard della fisica delle particelle e può rispondere a domande a cui deve passare il Modello Standard, ad esempio rispetto alle gerarchie delle masse di particelle elementari o l’esistenza della materia oscura. L’elemento centrale della teoria è una dimensione extra nello spaziotempo. Fino ad ora, gli scienziati hanno affrontato il problema che le previsioni della loro teoria non potevano essere testate sperimentalmente. Ora hanno superato questo problema in una pubblicazione, in questo numero della European Physical Journal C .

Già negli anni ’20, nel tentativo di unificare le forze di gravità e elettromagnetismo, Theodor Kaluza e Oskar Klein ipotizzarono l’esistenza di una dimensione extraoltre le familiari tre dimensioni spaziali e il tempo, che in fisica sono combinate nello spaziotempo quadridimensionale. Se esiste, una dimensione così nuova dovrebbe essere incredibilmente minuscola e impercettibile all’occhio umano. Alla fine degli anni ’90 questa idea ha visto una notevole rinascita, quando ci si rese conto che l’esistenza di una quinta dimensione poteva risolvere alcune delle profonde questioni aperte della fisica delle particelle. In particolare, Yuval Grossman della Stanford University e Matthias Neubert, allora professore alla Cornell University, hanno mostrato in una pubblicazione molto citata che l’incorporamento del Modello Standard della fisica delle particelle in uno spaziotempo a 5 dimensioni potrebbe spiegare i modelli finora misteriosi visti in le masse di particelle elementari.

Altri 20 anni dopo, il gruppo di Matthias Neubert – dal 2006 alla facoltà dell’Università Johannes Gutenberg di Mainz (Germania) e portavoce del PRISMA + Cluster of Excellence – ha fatto un’altra scoperta inaspettata: hanno scoperto che le equazioni di campo a 5 dimensioni predicevano il esistenza di una nuova particella pesante con proprietà simili al famoso bosone di Higgs ma con una massa molto più pesante, così pesante, infatti, che non può essere prodotta nemmeno al collisore di particelle a più alta energia del mondo: il Large Hadron Collider (LHC ) presso il Centro europeo di ricerca nucleare CERN vicino a Ginevra (Svizzera). “È stato un incubo”, ricorda Javier Castellano Ruiz, Ph.D. studente coinvolto nella ricerca, “eravamo entusiasti all’idea che la nostra teoria predice una nuova particella,ma sembrava impossibile confermare questa previsione in qualsiasi esperimento prevedibile “.

La deviazione attraverso la quinta dimensione

In un recente articolo pubblicato sull’European Physical Journal C, i ricercatori hanno trovato una soluzione spettacolare a questo dilemma. Hanno scoperto che la particella proposta avrebbe necessariamente mediato una nuova forza tra le particelle elementari conosciute (il nostro universo visibile) e la misteriosa materia oscura (il settore oscuro). Anche l’abbondanza di materia oscura nel cosmo, osservata negli esperimenti astrofisici, può essere spiegata dalla loro teoria. Questo offre nuovi entusiasmanti modi per cercare i costituenti della materia oscura – letteralmente attraverso una deviazione attraverso la dimensione extra – e ottenere indizi sulla fisica in una fase molto precoce della storia del nostro universo, quando la materia oscura fu prodotta. “Dopo anni di ricerca di possibili conferme delle nostre previsioni teoriche, ora siamo fiduciosi che il meccanismo che abbiamo scoperto renderebbe la materia oscura accessibile ai prossimi esperimenti,perché le proprietà della nuova interazione tra materia ordinaria e materia oscura, che è mediata dalla nostra particella proposta, possono essere calcolate accuratamente all’interno della nostra teoria “dice Matthias Neubert, capo del gruppo di ricerca.” Alla fine, quindi la nostra speranza, la nuova particella può essere scoperta prima attraverso le sue interazioni con il settore oscuro. “Questo esempio illustra bene la fruttuosa interazione tra scienza di base sperimentale e teorica —Un segno distintivo del PRISMA + Cluster of Excellence.

 

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