Prospects of Detecting Cosmological Domain Walls in the Cosmic Microwave Background
Questo articolo propone che pareti di dominio cosmologiche oscure, con interazione gravitazionale, lascino impronte non gaussiane distinte sulla radiazione cosmica di fondo che possono essere rilevate mediante analisi avanzate di tipo curvelet/wavelet e inferenza basata su reti neurali, permettendo potenzialmente a futuri sondaggi simili al South Pole Telescope di sondare scale di rottura di simmetria basse quanto 10–100 MeV.
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L'universo è pieno di strutture invisibili che modellano il cosmo, dai vasti ammassi di galassie alla debole scia residua del Big Bang nota come radiazione cosmica di fondo a microonde. Questa radiazione di fondo è un'istantanea dell'universo neonato, un mare di luce che ha viaggiato per miliardi di anni per raggiungere i nostri telescopi. Nella storia standard della cosmologia, questa luce è straordinariamente uniforme, con solo minuscole fluttuazioni casuali causate dalle condizioni iniziali dell'universo. Tuttavia, alcune teorie suggeriscono che l'universo primordiale abbia subito drammatiche transizioni di fase, simili all'acqua che si ghiaccia in ghiaccio, che avrebbero potuto lasciare cicatrici permanenti nel tessuto dello spazio-tempo. Queste cicatrici sono chiamate difetti topologici. Mentre alcune teorie prevedono difetti puntiformi o lacerazioni simili a stringhe, questa ricerca si concentra su un tipo specifico di difetto: le pareti di dominio. Queste sono vasti fogli bidimensionali che potrebbero essersi formati se una simmetria fondamentale dell'universo fosse stata infranta in un modo specifico. Se esistessero, non sarebbero fatti di materia ordinaria, ma sarebbero regioni di energia intrappolata, che interagiscono con il resto dell'universo solo attraverso la gravità.
Per decenni, i fisici hanno creduto che, se queste pareti di dominio fossero esistite, sarebbero state così pesanti ed energetiche da aver schiacciato l'universo, causandone il collasso molto prima che potessero formarsi stelle e galassie. Questo è noto come il problema della sovrachiusura (overclosure problem). Tuttavia, è emersa una nuova possibilità: se queste pareti si fossero formate a una scala di energia molto più bassa di quanto precedentemente ipotizzato, potrebbero essere abbastanza leggere da sopravvivere senza distruggere il cosmo, pur essendo abbastanza pesanti da lasciare una traccia rilevabile. La domanda diventa allora: come si trova qualcosa che è invisibile, interagisce solo con la gravità e potrebbe nascondersi nell'immensità dello spazio? La risposta risiede nel modo in cui queste pareti distorcerebbero la luce della radiazione cosmica di fondo a microonde mentre vi passa accanto.
Un team di ricercatori dell'Università McGill ha approfondito questa possibilità, simulando esattamente cosa accadrebbe se una parete di dominio oscura passasse tra noi e la radiazione cosmica di fondo a microonde. Hanno scoperto che queste pareti agiscono come un tipo unico di lente gravitazionale, ma con un colpo di scena. A differenza di una normale lente che focalizza la luce, la gravità repulsiva di una parete di dominio allontana la materia da essa. Mentre l'universo si espandeva, questa forza repulsiva avrebbe liberato un enorme vuoto di materia accanto alla parete, accumulando al contempo un guscio denso di materia ai suoi bordi. Quando i fotoni di luce provenienti dall'universo primordiale viaggiano attraverso questa regione, non passano semplicemente dritti; vengono deviati. I raggi di luce vengono spinti lontano dal centro del vuoto e attratti leggermente verso il guscio denso, creando un distintivo schema di distorsione nel cielo.
I ricercatori hanno calcolato che questa distorsione lascerebbe un'impronta molto specifica sulla radiazione cosmica di fondo a microonde. Non apparirebbe come una macchia casuale o una semplice sfocatura; creerebbe invece una caratteristica coerente, simile a una linea, dove la temperatura del cielo sembra restringersi o essere schiacciata. Questo schema è altamente insolito perché non è casuale; è un segnale strutturato, non gaussiano, che si distingue dalle naturali fluttuazioni casuali dell'universo primordiale. La forza di questo segnale dipende da quanto è massiccia la parete e da quanto è lontana. Il team ha scoperto che, per pareti con una scala di energia specifica e relativamente bassa, la distorsione sarebbe abbastanza forte da essere vista dai moderni telescopi, a condizione che la parete non sia troppo inclinata rispetto alla nostra linea di vista. Se la parete fosse perfettamente frontale, l'effetto svanirebbe, ma se fosse inclinata, il segnale diventerebbe visibile.
Per trovare questi segnali sottili, i ricercatori hanno sviluppato nuovi modi per analizzare i dati. I metodi standard per analizzare la radiazione cosmica di fondo a microonde cercano schemi che siano uguali in ogni direzione, ma una parete di dominio crea un modello che è allungato in una direzione e compresso in un'altra. Il team ha utilizzato strumenti matematici avanzati chiamati curvelet e wavelet, progettati per individuare questo tipo di caratteristiche allungate e direzionali. Hanno inoltre impiegato una tecnica sofisticata di inferenza basata sulla simulazione, in cui hanno addestrato un programma informatico a riconoscere la forma specifica di un segnale di parete di dominio mostrandogli milioni di esempi simulati. Questo computer ha imparato a distinguere l'unico "restringimento" di una parete di dominio dal rumore di fondo dell'universo con alta precisione.
I risultati delle loro simulazioni suggeriscono che i futuri telescopi, come il South Pole Telescope, potrebbero essere abbastanza sensibili da rilevare queste pareti, se esistono entro un certo intervallo di energie. I ricercatori hanno scoperto che il metodo più potente, che utilizza l'intera forma del segnale piuttosto che un singolo numero, potrebbe rilevare pareti con una scala di energia bassa quanto pochi decine di milioni di elettronvolt. Si tratta di un intervallo significativo, che copre una banda di possibilità che gli studi precedenti potrebbero aver trascurato. Lo studio conferma che, se queste pareti di dominio esistono e hanno le giuste proprietà, lascerebbero un segno chiaro e non casuale nel cielo, distinto da qualsiasi altro fenomeno cosmico noto.
Tuttavia, i ricercatori avvertono con cautela che questa è una previsione di ciò che potrebbe essere trovato, non una conferma che queste pareti siano state trovate. Il loro lavoro assume condizioni ideali, senza interferenze da altre fonti cosmiche o errori strumentali. Nel mondo reale, trovare queste pareti sarà molto più difficile perché il segnale deve essere separato da un background rumoroso. Lo studio funge da prova di concetto, dimostrando che gli strumenti per dare la caccia a queste elusive strutture esistono. Se la prossima generazione di esperimenti sulla radiazione cosmica di fondo a microonde dovesse rilevare un segnale che corrisponde alla specifica distorsione lineare prevista, sarebbe una scoperta monumentale. Fornirebbe la prima prova diretta di queste antiche cicatrici bidimensionali dell'universo, offrendo uno sguardo raro sulla fisica ad alta energia dei primissimi istanti dopo il Big Bang. Fino ad allora, le pareti di dominio rimangono una possibilità affascinante, in attesa nell'ombra della radiazione cosmica di fondo di un telescopio abbastanza nitido da rivelarne la presenza.
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