$SU(\mathcal{N})$ baryon formation in the early Universe and dark matter

Nell'immensa e invisibile architettura dell'universo, esiste un persistente mistero riguardante la natura della materia oscura. Sebbene possiamo vedere stelle e galassie, la maggior parte della massa dell'universo rimane nascosta, esercitando gravità ma rifiutandosi di emettere o riflettere luce. Per decenni, i fisici hanno proposto che questa massa mancante sia composta da particelle non ancora scoperte, immaginandole spesso come entità semplici e solitarie. Tuttavia, un'altra idea convincente suggerisce che la materia oscura possa essere composta da strutture complesse e composite, proprio come i protoni e i neutroni che formano gli atomi dei nostri stessi corpi. Queste particelle ipotetiche sarebbero "barioni" formati da un nuovo tipo di forza che li tiene uniti, in modo simile a come la forza nucleare forte tiene uniti i quark nel nostro mondo. La domanda critica per i cosmologi è come queste strutture complesse possano essersi formate nell'ambiente caotico e ad alta energia dell'universo primordiale senza essere distrutte prima di poter diventare la materia oscura che osserviamo oggi.

Un team di ricercatori ha ora investigato questo processo di formazione per una specifica classe di teorie in cui la forza di legame coinvolge un gran numero di "colori", una proprietà analoga alla carica elettrica ma specifica per questa nuova forza. Nel nostro mondo familiare, la forza che lega i quark viene in tre varietà, permettendo loro di combinarsi in gruppi di tre per formare particelle stabili. I ricercatori hanno esplorato cosa accadrebbe se questa forza venisse in molte più varietà — specificamente dodici, diciotto o persino ventuno. Si sono posti l'obiettivo di simulare il momento in cui l'universo si è raffreddato abbastanza da permettere a queste forze di entrare in azione, intrappolando particelle libere in stati legati. Il loro obiettivo era determinare se queste particelle complesse potessero assemblarsi con successo in candidati di materia oscura stabili e neutri, o se il processo sarebbe stato bloccato dalla natura stessa delle forze coinvolte.

La simulazione ha rivelato un ostacolo significativo che sorge quando il numero di varietà della forza aumenta. Nell'universo primordiale, mentre la temperatura scendeva, le particelle libere hanno iniziato ad agglomerarsi. I ricercatori hanno scoperto che, mentre le particelle potevano facilmente accoppiarsi per formare strutture semplici a due particelle note come mesoni, il percorso per costruire i barioni più grandi era severamente ostacolato. Questo blocco avviene perché la forza che attira una singola particella in un cluster in crescita è molto più debole della forza che attira una particella e una anti-particella insieme per formare un mesone. Di conseguenza, i mattoni per i grandi barioni vengono rapidamente consumati dalla formazione di mesoni. I ricercatori descrivono questo effetto come un "collo di bottiglia": la linea di montaggio per le particelle di materia oscura complesse è intasata perché gli ingredienti vengono dirottati verso strutture più semplici e concorrenti prima che la costruzione più grande possa essere completata.

Questo effetto diventa drammaticamente più forte all'aumentare del numero di varietà della forza. Nel caso di dodici varietà, i ricercatori hanno calcolato che il numero di barioni formati con successo è soppresso a una minuscola frazione di quella che ci si aspetterebbe in un sistema più semplice. Per diciotto varietà, la soppressione è ancora più estrema, riducendo la resa di un fattore di dieci alla ventesima potenza. Ciò significa che, per questi sistemi più grandi, l'universo non produce quasi nessun barione stabile. I pochi che si formano sono così rari che, per giustificare la quantità totale di materia oscura che osserviamo oggi, ciascuna particella dovrebbe essere incredibilmente massiccia. Infatti, per il maggior numero di varietà studiate, la massa richiesta supererebbe i limiti teorici stabiliti dalle leggi della meccanica quantistica, suggerendo che tali particelle pesanti semplicemente non possono esistere nel modo in cui il modello le descrive.

Per rendere il loro modello realistico, i ricercatori hanno anche assicurato che le particelle potessero interagire con le forze note della natura in un modo che permetta alle particelle instabili di decadere in sicurezza. Hanno costruito uno scenario con tre tipi di particelle, simili ai quark up, down e strange del nostro mondo, che permette l'esistenza di un barione neutro e stabile che potrebbe fungere da materia oscura. In questa configurazione, qualsiasi versione instabile o carica di queste particelle decadrebbe in radiazioni innocue molto prima della formazione delle prime stelle, garantendo che non interferiscano con la storia nota dell'universo. Lo studio conferma che, sebbene una particella di materia oscura neutra e stabile sia teoricamente possibile in questi modelli, il meccanismo che la crea è così inefficiente per un gran numero di varietà della forza che le particelle risultanti sarebbero troppo pesanti per essere candidati validi per la materia oscura che riempie il nostro cosmo.

Le implicazioni di questo lavoro sono profonde per le teorie che si basano su materia oscura complessa e composita. Suggeriscono che, se la materia oscura è effettivamente composta da tali strutture, la forza sottostante non può avere troppe varietà, altrimenti l'universo semplicemente non riuscirebbe a produrne abbastanza. Per i modelli con un numero moderato di varietà, come dodici, un candidato di materia oscura stabile potrebbe esistere, ma dovrebbe essere estremamente pesante, pesando circa centomila volte la massa di un protone. Ciò pone vincoli severi su come queste teorie possano essere costruite e testate. I ricercatori concludono che, sebbene l'idea di materia oscura composita rimanga una possibilità affascinante, il meccanismo specifico della sua formazione agisce come un potente filtro, escludendo le versioni più complesse della teoria e indicando una via molto più stretta per la ricerca futura.