Leptogenesis and Planck-scale black hole remnants in a Pati-Salam cosmology

L'universo è pieno di due grandi misteri che la fisica moderna non ha ancora risolto. Il primo è perché c'è più materia che antimateria. Nei primi istanti dopo il Big Bang, materia e antimateria avrebbero dovuto essere create in quantità uguali, per poi annichilirsi a vicenda e lasciare dietro di sé un mare di pura luce. Eppure, noi esistiamo. Qualcosa ha sbilanciato la bilancia, creando un piccolo surplus di materia che ha poi formato stelle, pianeti e noi. Il secondo mistero è la materia oscura. Gli astronomi sanno che circa un quarto dell'universo è composto da una sostanza invisibile che tiene insieme le galassie, ma nessuno ha mai visto una sua particella o sa di cosa sia fatta. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di spiegare questi due enigmi separatamente, proponendo spesso nuove particelle o forze complesse. Uno studio recente, tuttavia, suggerisce che la risposta a entrambi potrebbe risiedere nello stesso strano e minuscolo oggetto: un buco nero primordiale.

Questi non sono i massicci buchi neri trovati al centro delle galassie, che si formano dal collasso delle stelle. Sono invece microscopici buchi neri che potrebbero essersi formati nella prima frazione di secondo dopo il Big Bang, creati dalle fluttuazioni nella densità dell'universo primordiale. Se esistono, sarebbero incredibilmente piccoli, alcuni con un peso inferiore a un grammo, e starebbero evaporando proprio ora, rilasciando energia in un processo noto come radiazione di Hawking. Un team di ricercatori ha costruito un nuovo modello che mostra come questi minuscoli buchi neri potrebbero aver agito come fabbriche cosmiche, producendo le particelle pesanti necessarie per creare il nostro universo dominato dalla materia, lasciando simultaneamente un residuo stabile che costituisce la materia oscura che vediamo oggi.

I ricercatori hanno lavorato all'interno di un quadro teorico specifico chiamato modello di Pati–Salam. Questo è un modo per organizzare le particelle fondamentali della natura che tratta il neutrino destrorso — un cugino pesante e invisibile del familiare neutrino — come una parte necessaria della struttura dell'universo piuttosto che un'aggiunta opzionale. In questo modello, l'esistenza di questi neutrini pesanti è legata a una specifica scala di energia in cui le forze della natura si separano. Il team si è posto una domanda semplice ma difficile: la evaporazione dei buchi neri primordiali potrebbe fornire i neutrini pesanti necessari a generare lo squilibrio materia-antimateria, e i buchi neri stessi potrebbero lasciare dietro di sé un residuo che funge da materia oscura?

Per rispondere a questo, hanno simulato il ciclo di vita di questi buchi neri. Sono partiti con un universo in cui le forze si erano già separate prima dell'inizio della rapida espansione dell'inflazione, assicurando che i pericolosi monopoli magnetici venissero diluiti. Hanno poi introdotto una popolazione di buchi neri primordiali con un intervallo specifico di masse. Mentre questi buchi neri evaporavano, emettevano particelle. Se i buchi neri fossero stati abbastanza caldi, avrebbero emesso i pesanti neutrini destrorsi. Questi neutrini avrebbero poi subito un decadimento in un modo che creava un leggero eccesso di materia rispetto all'antimateria. Questo eccesso sarebbe stato infine convertito nei barioni — i protoni e i neutroni — che compongono tutta la materia visibile.

Lo studio ha scoperto che questo processo funziona, ma solo in condizioni molto specifiche. I ricercatori hanno scoperto una netta divisione basata sulla massa dei buchi neri. Se i buchi neri fossero molto leggeri, pesanti circa cento grammi o meno, sarebbero stati abbastanza caldi da emettere direttamente i pesanti neutrini. Ciò creerebbe una fonte "non termica" di materia, generando l'asimmetria barionica senza bisogno che l'universo sia estremamente caldo. Tuttavia, questo scenario si scontra con un ostacolo quando si considera la materia oscura. Se questi buchi neri leggeri evaporassero completamente, non lascerebbero nulla. Ma se la gravità quantistica fermasse la loro evaporazione appena prima della scomparsa, lasciando dietro di sé un minuscolo e stabile "residuo", la matematica fallisce. Lo studio mostra che se i buchi neri fossero abbastanza leggeri da creare l'asimmetria della materia in questo modo, i residui rimasti sarebbero così numerosi da riempire eccessivamente l'universo di materia oscura, superando di gran lunga quanto osservato. In questo scenario specifico, i due obiettivi — creare la giusta quantità di materia e la giusta quantità di materia oscura — non possono essere raggiunti contemporaneamente.

La soluzione, secondo gli autori, risiede in buchi neri leggermente più pesanti. Se i buchi neri primordiali pesano circa un milione di grammi, sono più freddi e non possono emettere i pesanti neutrini in modo efficiente da soli. Invece, i pesanti neutrini sono prodotti dal plasma caldo dell'universo primordiale. I buchi neri giocano quindi un ruolo diverso: evaporano e immettono una enorme quantità di entropia, o disordine, nell'universo. Questo processo diluisce l'asimmetria della materia che era già stata creata, ma non la distrugge. Fondamentalmente, quando questi buchi neri più pesanti evaporano finalmente, lasciano dietro di sé un residuo stabile. Poiché i buchi neri sono più pesanti, il numero di residui che lasciano è molto minore. Lo studio calcola che per buchi neri con una massa iniziale di circa un milione di grammi, il numero di residui rimanenti corrisponde perfettamente alla quantità osservata di materia oscura nell'universo.

Questo singolo valore di massa di circa un milione di grammi funge da punto di equilibrio. È abbastanza pesante perché i residui non sovrappopolino l'universo, ma abbastanza leggero perché i buchi neri evaporino abbastanza presto da permettere all'asimmetria della materia di essere elaborata dai meccanismi naturali dell'universo prima che le forze della natura si congelino. I ricercatori hanno anche notato che questo scenario lascia un'impronta distinta. La distribuzione casuale di questi buchi neri nell'universo primordiale avrebbe creato increspature nello spaziotempo, generando un ronzio di fondo di onde gravitazionali. Queste onde avrebbero una frequenza che futuri rilevatori, come l'Einstein Telescope, potrebbero essere in grado di ascoltare. Inoltre, l'emissione diretta di gravitoni durante gli ultimi momenti dei buchi neri contribuirebbe alla densità di radiazione dell'universo, una quantità che i futuri esperimenti sulla radiazione cosmica di fondo potrebbero misurare con alta precisione.

Il documento conclude che, sebbene l'idea di usare i buchi neri per risolvere entrambi i misteri della materia e della materia oscura sia convincente, non è una soluzione universale. Esclude la possibilità che i buchi neri più leggeri possano svolgere il compito da soli. Al contrario, punta a una finestra specifica e ristretta di masse dei buchi neri dove l'universo potrebbe essere stato tarato per produrre esattamente ciò che vediamo oggi. Il modello si basa sull'assunto che la gravità quantistica arresti l'evaporazione dei buoli neri alla scala di Planck, lasciando dietro di sé residui stabili. Se questo assunto è corretto, allora l'esistenza della materia oscura e l'origine del nostro universo ricco di materia sono due facce della stessa medaglia, forgiate dall'evaporazione di una specifica popolazione di buchi neri primordiali. Le scoperte suggeriscono che la prossima generazione di esperimenti sulle onde gravitazionali e sul fondo cosmico potrà confermare questa elegante connessione o costringerci a cercare una spiegazione diversa per il lato oscuro del cosmo.