Leptogenesi

La leptogenesi in cosmologia indica i processi fisici ipotetici che diedero luogo a un'asimmetria tra leptoni e antileptoni nell'universo primordiale (prima dell'inflazione cosmica), dando come risultato l'attuale predominio dei leptoni sugli antileptoni. Nel Modello Standard attualmente accettato, il numero leptonico è quasi conservato a temperature inferiori alla scala dei TeV, anche se i processi di tunneling (come gli Istantoni BPST; soluzioni non perturbative delle equazioni di campo di Yang–Mills) possono modificare questo numero; ed a temperature elevate esso può cambiare attraverso le interazioni con gli sfaleroni. In entrambi i casi, questi processi sono correlati alla forza nucleare debole ed sono un esempio di anomalia chirale.

I processi di leptogenesi avrebbero ipoteticamente creato i leptoni nell'universo primordiale. In questi processi anche il numero barionico non è conservato, quindi i barioni avrebbero dovuto essere creati insieme ai leptoni. Si suppone infatti che la non conservazione del numero barionico sia avvenuta nell'universo primordiale ed è nota come bariogenesi. Tuttavia, in alcuni modelli teorici, si suggerisce che la leptogenesi sia avvenuta anche prima della bariogenesi; pertanto il termine leptogenesi viene spesso utilizzato per indicare la non conservazione dei leptoni, senza una corrispondente non conservazione dei barioni. Nel Modello Standard, la differenza tra il numero leptonico e il numero barionico è conservata con precisione, per cui la leptogenesi senza bariogenesi è impossibile. La leptogenesi quindi implica estensioni al Modello Standard.

Le asimmetrie leptoniche e barioniche influenzarono la nucleosintesi de nuclei atomici leggeri, durante i primi minuti di vita dell'universo, ma comunque avvenuta più tardi ed è molto meglio compresa. Una buona sintesi degli elementi leggeri richiede di avere uno squilibrio nel numero di barioni e rispetto a quello di antibarioni pari a una parte su un miliardo.[1] Un'asimmetria nel numero di leptoni e di antileptoni non è obbligatoria per la nucleosintesi del Big Bang. Tuttavia, la conservazione della carica suggerisce che qualsiasi asimmetria tra leptoni carichi e antileptoni carichi (elettroni, muoni e particelle tau) dovrebbe essere dello stesso ordine di grandezza dell'asimmetria barionica.[2] Le osservazioni sull'abbondanza primordiale di elio-4 pongono un limite superiore a qualsiasi asimmetria leptonica riguardante i neutrini, ed è molto stringente.[1]

Le teorie della leptogenesi impiegano sotto discipline della fisica come la teoria quantistica dei campi e la fisica statistica per descrivere tali possibili scenari. La bariogenesi, ovvero la generazione di un'asimmetria barione-antibarione, e la leptogenesi possono essere collegate da processi che convertono il numero barionico nel il numero leptonico e viceversa. L'anomalia quantistica (non perturbativa) di Adler–Bell–Jackiw può dare origine agli sfaleroni, che possono convertire i leptoni in barioni e viceversa.[3] Pertanto, in linea di principio, il Modello Standard è in grado di fornire un meccanismo per creare barioni e leptoni.

Una semplice modifica al Modello Standard in grado di realizzare le condizioni di Sakharov (violazione del numero barionico, violazioni della simmetria C e CP, asimmetria dell'equilibrio termico) è quella suggerita da M. Fukugita e T. Yanagida.[4] Il Modello Standard viene esteso aggiungendo neutrini destrorsi (che dovrebbero essere fermioni di Majorana e non fermioni di dirac) che consentirebbero l'implementazione del meccanismo "see-saw" e fornendo massa ai neutrini. Il modello esteso è in grado di generare spontaneamente leptoni dai decadimenti dei neutrini destrorsi. Infine, gli sfaleroni sono in grado di convertire la spontanea generazione dell'asimmetria leptonica nell'asimmetria barionica che noi osserviamo. A causa della sua popolarità, l'intero processo è talvolta chiamato semplicemente leptogenesi.[5]

Note

  1. 1 2 G. Steigman, Primordial Nucleosynthesis in the Precision Cosmology Era, in Annual Review of Nuclear and Particle Science, vol. 57, 2007, pp. 463–491, Bibcode:2007ARNPS..57..463S, DOI:10.1146/annurev.nucl.56.080805.140437, arXiv:0712.1100.
  2. ↑ (EN) Simha, Constraining the universal lepton asymmetry, in Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, vol. 2008, 2008, pp. 011, Bibcode:2008JCAP...08..011S, DOI:10.1088/1475-7516/2008/08/011, ISSN 1475-7516, arXiv:0806.0179.
  3. ↑ (EN) Barbieri, Baryogenesis through leptogenesis, in Nuclear Physics B, vol. 575, 2000, pp. 61–77, Bibcode:2000NuPhB.575...61B, DOI:10.1016/s0550-3213(00)00011-0, arXiv:hep-ph/9911315.
  4. ↑ M. Fukugita, T. Yanagida, Baryogenesis Without Grand Unification, in Physics Letters B, vol. 174, 1986, p. 45, Bibcode:1986PhLB..174...45F, DOI:10.1016/0370-2693(86)91126-3.
  5. ↑ Davidson, Leptogenesis, in Physics Reports, vol. 466, 9 giugno 2008, pp. 105–177, Bibcode:2008PhR...466..105D, DOI:10.1016/j.physrep.2008.06.002, ISSN 0370-1573, arXiv:0802.2962.

Bibliografia

  • E. W. Kolb e M. S. Turner, The Early Universe, Perseus Publishing, 1994, ISBN 0-201-62674-8.

Voci correlate

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