L'universo potrebbe essere inondato da una ragnatela di corde invisibili

E se ti dicessi che il nostro universo è stato inondato da centinaia di tipi di particelle quasi invisibili e che, molto tempo fa, queste particelle formavano una rete di stringhe che attraversano l'universo? 

Sembra sia stravagante che fantastico, ma in realtà è una previsione della teoria delle stringhe, il nostro migliore (ma frustrantemente incompleto) tentativo di una teoria del tutto. Queste bizzarre, anche se ipotetiche, piccole particelle sono note come assioni, e se possono essere trovate, ciò significherebbe che viviamo tutti in un vasto "axiverse".

La parte migliore di questa teoria è che non è solo l'ipotesi da poltrona di qualche fisico, senza possibilità di verifica. Questa rete di stringhe incredibilmente enorme potrebbe essere rilevabile nel prossimo futuro con i telescopi a microonde che vengono effettivamente costruiti. 

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Se trovato, l'assexiverse ci darebbe un importante passo avanti nel capire il puzzle di ... beh, tutta la fisica.

Una sinfonia di archi

OK, mettiamoci al lavoro. Per prima cosa, dobbiamo conoscere un po 'meglio l'assione. L'assione, chiamato dal fisico (e, in seguito, premio Nobel) Frank Wilczek nel 1978, prende il nome perché si ipotizza che esista da un certo tipo di rottura della simmetria. Lo so, lo so - più gergo. Resisti. I fisici adorano le simmetrie, quando in matematica compaiono determinati schemi. 

C'è un tipo di simmetria, chiamata simmetria CP, che dice che la materia e l'antimateria dovrebbero comportarsi allo stesso modo quando le loro coordinate sono invertite. Ma questa simmetria non sembra adattarsi naturalmente alla teoria della forza nucleare forte. Una soluzione a questo enigma è introdurre un'altra simmetria nell'universo che "corregge" questo comportamento scorretto. Tuttavia, questa nuova simmetria appare solo a energie estremamente elevate. Alle basse energie quotidiane, questa simmetria scompare e, per tenerne conto, viene fuori una nuova particella: l'assione.

Ora, dobbiamo passare alla teoria delle stringhe, che è il nostro tentativo (ed è stato il nostro tentativo principale per circa 50 anni) di unificare tutte le forze della natura, in particolare la gravità, in un unico quadro teorico. Si è dimostrato un problema particolarmente spinoso da risolvere, a causa di una varietà di fattori, non ultimo dei quali, affinché la teoria delle stringhe funzioni (in altre parole, affinché la matematica abbia persino una speranza di risolvere), il nostro l'universo deve avere più delle solite tre dimensioni di spazio e una di tempo; ci devono essere dimensioni spaziali extra.

Queste dimensioni spaziali non sono visibili ad occhio nudo, ovviamente; altrimenti avremmo notato quel genere di cose. Quindi le dimensioni extra devono essere piccolissime e raggomitolate su se stesse su scale così piccole da eludere i normali sforzi per individuarle.

Ciò che rende tutto questo difficile è che non siamo esattamente sicuri di come queste dimensioni extra si arricciano su se stesse, e ci sono circa 10 ^ 200 modi possibili per farlo..

Ma ciò che queste disposizioni dimensionali sembrano avere in comune è l'esistenza di assioni, che, nella teoria delle stringhe, sono particelle che si avvolgono attorno ad alcune delle dimensioni raggomitolate e rimangono bloccate.

Inoltre, la teoria delle stringhe non prevede solo un assione ma potenzialmente centinaia di tipi diversi, con una varietà di masse, incluso l'assione che potrebbe apparire nelle previsioni teoriche della forza nucleare forte.

Stringhe stupide

Quindi, abbiamo molti nuovi tipi di particelle con tutti i tipi di massa. Grande! Gli assioni potrebbero costituire la materia oscura, che sembra essere responsabile di dare alle galassie la maggior parte della loro massa ma non può essere rilevata dai normali telescopi? Forse; è una domanda aperta. Ma gli assioni come materia oscura devono affrontare alcuni test di osservazione impegnativi, quindi alcuni ricercatori si concentrano invece sull'estremità più leggera delle famiglie degli assioni, esplorando modi per trovarli.

E quando quei ricercatori iniziano a scavare nel comportamento previsto di questi assioni di peso piuma nell'universo primordiale, trovano qualcosa di veramente notevole. Nei primi momenti della storia del nostro cosmo, l'universo ha attraversato transizioni di fase, cambiando il suo intero carattere da stati esotici ad alta energia a stati regolari a bassa energia. 

Durante una di queste transizioni di fase (avvenuta quando l'universo era vecchio meno di un secondo), gli assioni della teoria delle stringhe non apparivano come particelle. Invece, sembravano anelli e linee: una rete di corde leggere e quasi invisibili che attraversavano il cosmo.

Questo ipotetico axiverse, riempito con una varietà di corde assioniche leggere, non è previsto da nessun'altra teoria della fisica se non dalla teoria delle stringhe. Quindi, se determinassimo che viviamo in un universo, sarebbe un grande vantaggio per la teoria delle stringhe. 

Un cambiamento nella luce

Come possiamo cercare queste stringhe di assioni? I modelli prevedono che le stringhe degli assioni abbiano una massa molto bassa, quindi la luce non andrà a sbattere contro un assione e non si piegherà, o gli assioni probabilmente non si mescoleranno con altre particelle. Potrebbero esserci milioni di stringhe di assioni che fluttuano attraverso la Via Lattea in questo momento e non le vedremmo.

Ma l'universo è vecchio e grande e possiamo usarlo a nostro vantaggio, specialmente una volta che riconosciamo che anche l'universo è retroilluminato.

Il fondo cosmico a microonde (CMB) è la luce più antica dell'universo, emessa quando era solo un bambino - circa 380.000 anni. Questa luce ha inzuppato l'universo per tutti questi miliardi di anni, filtrando attraverso il cosmo fino a quando finalmente colpisce qualcosa, come i nostri telescopi a microonde. 

Quindi, quando guardiamo il CMB, lo vediamo attraverso miliardi di anni luce di universo. È come guardare il bagliore di una torcia attraverso una serie di ragnatele: se c'è una rete di stringhe di assioni infilate nel cosmo, potremmo potenzialmente individuarle.

In un recente studio, pubblicato nel database arXiv il 5 dicembre, un trio di ricercatori ha calcolato l'effetto che un axiverse avrebbe sulla luce CMB. Hanno scoperto che, a seconda di come un po 'di luce passa vicino a una particolare stringa di assioni, la polarizzazione di quella luce potrebbe cambiare. Questo perché la luce CMB (e tutta la luce) è composta da onde di campi elettrici e magnetici e la polarizzazione della luce ci dice come sono orientati i campi elettrici - qualcosa che cambia quando la luce CMB incontra un assione. Possiamo misurare la polarizzazione della luce CMB facendo passare il segnale attraverso filtri specializzati, permettendoci di cogliere questo effetto. 

I ricercatori hanno scoperto che l'effetto totale sulla CMB da un universo pieno di stringhe ha introdotto uno spostamento nella polarizzazione pari a circa l'1%, che è proprio sull'orlo di ciò che possiamo rilevare oggi. Ma i futuri mappatori CMB, come il Cosmic Origins Explorer, il satellite Lite (Light) per gli studi sulla polarizzazione B-mode e sull'inflazione dal rilevamento delle radiazioni di fondo cosmico (LiteBIRD), e il Primordial Inflation Explorer (PIXIE), sono attualmente in fase di progettazione. Questi telescopi futuristici sarebbero in grado di fiutare un axiverse. E una volta che quei mappatori saranno online, scopriremo di vivere in un universo o escluderemo questa particolare previsione della teoria delle stringhe.

In ogni caso, c'è molto da districare.

Paul M. Sutter è un astrofisico presso La Ohio State University, ospite di Chiedi a un astronauta e Radio spaziale, e autore di Il tuo posto nell'universo.

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