Gli scenari di rottura dell'iper-carica potrebbero spiegare l'asimmetria barionica dell'universo

21 febbraio 2025

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Il Modello Standard (SM), il principale quadro fisico che descrive particelle elementari e le forze che le guidano, delinea schemi chiave nelle interazioni fisiche chiamate simmetrie di gauge. Una delle simmetrie che descrive è la cosiddetta U(1)Y ipercarica: una simmetria di gauge che contribuisce alla carica elettrica delle particelle prima che le forze elettromagnetiche e deboli diventino distinte (cioè prima della transizione di fase elettrodebole).

Recentemente, i ricercatori del Dipartimento di Fisica Teorica (DFT) dell'Universidad Autónoma de Madrid e dell'Istituto di Fisica Teorica (IFT) hanno condotto uno studio che investiga come le condizioni presenti nell'universo primordiale potrebbero indurre la rottura spontanea di questa simmetria di gauge, collegando questo fenomeno a certi modelli di generazione della massa dei neutrini noti come modelli di massa dei neutrini radiativi. Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, si basa specificatamente su un quadro teorico chiamato modello Zee-Babu, un'estensione del SM che spiega la generazione della massa dei neutrini.

'Nel Modello Standard, la simmetria di gauge elettrodebole spontaneamente rotta, che regola le interazioni elettromagnetiche e deboli della natura, è stata ripristinata nei primi istanti dell'universo, quando la temperatura dell'universo era superiore alla scala energetica elettrodebole', hanno detto i professori Jose Miguel No, Luca Merlo, Alvaro Lozano-Onrubia e Sergio López-Zurdo a Phys.org.

'Negli ultimi anni, uno di noi (Prof. No) ha esplorato la possibilità che questa simmetria potesse rimanere rotta nell'universo primordiale, poiché ciò potrebbe avere importanti implicazioni per l'origine dell'asimmetria primordiale tra materia e antimateria (la cosiddetta 'asimmetria barionica dell'universo'). Tuttavia, era molto difficile trovare estensioni del Modello Standard che presentassero un tale effetto.'

Mentre partecipava a un workshop di fisica teorica a Monaco, il Prof. No ha iniziato a discutere la fenomenologia di alcuni modelli di fisica delle particelle che generano masse per i neutrini del SM con il Prof. Kaladi Babu dell'Oklahoma State University. Il Prof. Babu, un esperto mondiale in questi quadri, noti come modelli di massa dei neutrini radiativi, ha offerto preziose intuizioni che hanno aperto la strada per lo studio attuale del team.

'Questo dibattito ha portato alla realizzazione che tali modelli avevano gli ingredienti richiesti per mantenere la simmetria di gauge dell'ipercarica—una delle due simmetrie che compongono la simmetria di gauge elettrodebole—rotta a temperature molto elevate', hanno detto i ricercatori.

'Tornati all'IFT di Madrid, ci siamo seduti tutti insieme e abbiamo confermato che questi modelli di massa dei neutrino potrebbero presentare il fenomeno di rottura di ipercarica nell'universo primordiale, offrendo potenzialmente una nuova prospettiva sulla connessione tra le masse dei neutrini e l'asimmetria barionica.'

Il Modello Standard ha un settore scalare semplice che contiene solo il campo di Higgs responsabile della generazione della massa delle particelle massive descritte dal modello. Questo settore scalare semplice suggerisce che l'universo abbia avuto una storia termica piuttosto basilare, con simmetrie di gauge SM esatte ad alte temperature. Tuttavia, la simmetria elettrodebole si spezza spontaneamente a basse temperature, un fenomeno che è ben stabilito sperimentalmente.

'In alcune estensioni del Modello Standard con un settore scalare più ricco, tuttavia, la historia termica dell'universo sarebbe stata più coinvolta/complessa,' hanno spiegato No, Merlo, Lozano-Onrubia e López-Zurdo. 'In particolare, abbiamo mostrato che in estensioni dove questo settore scalare più ricco è collegato alla generazione delle masse dei neutrini, la simmetria di gauge dell'ipercarica SM può essere effettivamente rotta a temperature elevate, mentre nel SM non lo è.'

Le ricercatori hanno dimostrato che la rottura della simmetria di ipercarica nell'universo primordiale potrebbe spiegare lo squilibrio osservato tra materia e antimateria nell'universo, noto come problema dell'asimmetria barionica. Nel loro articolo, No, Merlo, Lozano-Onrubia e López-Zurdo delineano un meccanismo non convenzionale che potrebbe aver contribuito alla formazione dell'universo dominato dalla materia attuale.

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'Innanzitutto, il nostro studio sottolinea l'importanza di considerare i contributi quantistici in queste analisi, poiché i nostri risultati dipendono in modo cruciale dall'includerli correttamente,' hanno detto i ricercatori.

'Abbiamo dimostrato che i modelli di fisica delle particelle con un settore scalare non minimale sono scenari molto promettenti per spiegare contemporaneamente diversi problemi irrisolti del Modello Standard, nel nostro caso, l'origine delle masse dei neutrini e la generazione dell'asimmetria barionica dell'universo.'

Il recente lavoro di questo team di ricerca potrebbe presto aprire interessanti possibilità per lo studio della fisica dei neutrini e le origini della materia. In futuro, potrebbe contribuire allo sviluppo di modelli alternativi dell'universo che offrono spiegazioni migliori sulla sua asimmetria materia-antimateria.

'Allo stesso tempo, il nostro lavoro prepara la strada per nuovi modi alternativi di spiegare l'origine dell'asimmetria barionica dell'universo che alla fine porta alla nostra stessa esistenza,' hanno detto i ricercatori.

Le recenti analisi condotte da No, Merlo, Lozano-Onrubia e López-Zurdo si applicano specificamente a un determinato quadro teorico di generazione di massa dei neutrini noto come modello Zee-Babu. Come parte della loro ricerca attuale, i ricercatori stanno cercando di determinare se i loro risultati si applicano solo a questo modello o possono essere estesi a una gamma più ampia di teorie che descrivono ricchi settori scalari.

'Inoltre, questo fenomeno di 'rottura inversa della simmetria' (che una certa simmetria, che si pensava fosse esatta nell'universo primordiale, in realtà è stata rotta allora) potrebbe fornire una soluzione ad altri problemi del Modello Standard, come il problema 'strong-CP' - perché le interazioni forti sembrano conservare la simmetria CP discreta,' hanno aggiunto i ricercatori. 'Questa è una possibilità che stiamo esplorando in un'ulteriore analisi che stiamo conducendo.'

Maggiori informazioni: S. López-Zurdo et al, Early Universe Hypercharge Breaking and Neutrino Mass Generation, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.041802.

Informazioni sulla rivista: Physical Review Letters

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