Gravitational Dark Matter Production in Einstein-Cartan Theory
Questo articolo investiga la produzione gravitazionale di materia oscura all'interno della teoria di Einstein-Cartan incorporando lo scambio di gravitoni nel canale s e il termine di Holst per perfezionare i calcoli della sezione d'urto totale, del termine di collisione e dell'abbondanza di materia oscura risultante dalle interazioni quattro-fermioni indotte dalla torsione.
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Per decenni, il mistero più persistente della cosmologia è stato la natura della materia oscura. Sappiamo che esiste perché la sua gravità tiene insieme le galassie, eppure si rifiuta di rivelarsi attraverso la luce o qualsiasi altra forza familiare. Mentre molti esperimenti cercano la materia oscura sperando che urti gli atomi ordinari, rimane una possibilità più silenziosa: che la materia oscura interagisca con il nostro universo solo attraverso la forza di gravità. La gravità è la più debole delle forze della natura, quindi produrre materia oscura in questo modo sembrava improbabile che generasse quantità significative. Tuttavia, le regole stesse della gravità potrebbero essere più complesse di quanto suggerisca il modello standard.
La teoria della relatività generale di Einstein descrive la gravità come la curvatura dello spazio e del tempo causata dalla massa e dall'energia. Ma esiste un'estensione naturale di questa teoria, nota come teoria di Einstein-Cartan, che permette allo spazio-tempo di avere una proprietà chiamata "torsione". Immaginate lo spazio-tempo non solo come un foglio flessibile che si piega, ma come un tessuto che può anche torcersi. In questo quadro, quella torsione è direttamente legata allo spin intrinseco delle particelle, proprio come la massa è legata alla curvatura. Sebbene questo effetto di torsione sia trascurabile nel nostro mondo quotidiano, diventa potente alle energie estreme dell'universo primordiale. Quando gli scienziati eliminano questa torsione dalle equazioni, essa lascia dietro di sé una nuova forza di contatto diretto tra le particelle. Questa forza agisce come una stretta di mano tra i fermioni, un tipo di particella fondamentale che include gli elettroni e i candidati proposti per la materia oscura.
In uno studio recente, i ricercatori hanno rivisitato il modo in cui la materia oscura potrebbe essere stata creata nei primi istanti dopo il Big Bang, specificamente all'interno di questo quadro di Einstein-Cartan. Si sono concentrati su uno scenario in cui le particelle di materia oscura sono fermioni. Calcoli precedenti avevano stimato quanta materia oscura sarebbe stata prodotta se fosse derivata esclusivamente da questa nuova forza di contatto tra le particelle. I ricercatori in questo studio si sono posti una domanda cruciale: cosa succede se includiamo anche il processo puramente gravitazionale standard in cui due particelle collidono e scambiano un gravitone, l'ipotetica particella che trasporta la forza di gravità? Volevano vedere se questi due diversi percorsi — la nuova forza di contatto e lo scambio gravitazionale standard — lavorerebbero insieme per creare più materia oscura, o se si sarebbero annullati a vicenda.
Il team ha eseguito un calcolo dettagliato dei tassi di collisione, considerando non solo i fermioni ma anche le particelle scalari e vettoriali che compongono la densa zuppa dell'universo primordiale. Hanno scoperto che i due processi non interferiscono tra loro in un modo che cambi la quantità totale di materia oscura prodotta. Invece, i contributi si sommano semplicemente. La nuova forza di contatto rimane il motore dominante, producendo molta più materia oscura rispetto alla sola gravità. Tuttavia, l'inclusione dello scambio gravitazionale standard produce comunque una differenza piccola ma misurabile, aumentando il tasso di produzione totale di circa il sette per cento rispetto alla sola forza di contatto. Più importante ancora, mentre il numero totale di particelle rimane la somma dei due effetti, il modo in cui queste particelle sono distribuite per energia cambia. Il processo gravitazionale standard tende a stimolare la produzione di particelle di materia oscura a energia inferiore, alterando la forma dello spettro energetico.
I ricercatori hanno anche esplorato un ulteriore raffinamento della teoria che coinvolge un termine matematico specifico noto come termine di Holst. Questo termine introduce un parametatore che può cambiare la forza della nuova forza di contatto e persino creare due tipi aggiuntivi di interazioni tra le particelle. Hanno scoperto che, a seconda del valore di questo parametro, la quantità totale di materia oscura prodotta potrebbe essere ridotta o significativamente aumentata. Nel caso più semplice, il termine di Holst agisce per indebolire la produzione, ma con una configurazione non minimale specifica, potrebbe potenziare la resa. Lo studio conclude che, se la materia oscura è effettivamente un fermione e se la teoria di Einstein-Cartan descrive correttamente l'universo primordiale, l'abbondanza totale di materia oscura oggi sarebbe circa 7,17 volte maggiore di quella che sarebbe prevista dalla pura Relatività Generale (senza torsione) quando entrambe le teorie includono i meccanismi standard di produzione gravitazionale. Ciò suggerisce che la sottile geometria dello spazio-tempo, inclusa la sua potenziale capacità di torcersi, gioca un ruolo vitale nel popolare l'universo con la massa invisibile che modella il nostro cosmo.
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