Em 1867, Lord Kelvin descreveu os átomos como pequenos nós em um meio invisível chamado éter. Acontece que esta imagem está errada porque os átomos são feitos de partículas subatômicas, e não de distorções do espaço. No entanto, a ideia de estruturas com nós que ele abandonou ainda pode ajudar a explicar uma das questões mais profundas da ciência: por que existe alguma coisa no universo.
Uma equipe de físicos no Japão mostrou agora que estruturas com nós podem aparecer naturalmente em modelos realistas de física de partículas que também resolvem vários mistérios importantes, incluindo a origem da massa dos neutrinos, da matéria escura e do forte problema do CP. Sua pesquisa foi publicada em Cartas de revisão físicasugere que este “nó cósmico” pode ter se formado no universo primitivo em violenta mudança, tornando-se brevemente a forma dominante de energia e depois entrando em colapso de uma maneira que favoreceu ligeiramente a matéria em detrimento da antimatéria. À medida que se formam e decaem, estes nós agitam o próprio espaço-tempo, produzindo um padrão único de ondas gravitacionais que futuros detectores poderão ser capazes de detectar, uma raridade para um problema que muitas vezes é difícil de testar directamente.
“Este estudo resolve um dos mistérios mais fundamentais da física: por que o nosso universo é feito de matéria e não de antimatéria”, disse Muneto Nitta, autor correspondente do estudo e professor (ilustre) no Instituto Internacional para Sustentabilidade da Metamatéria Quiral (WPI-SKCM2) na Universidade de Hiroshima, no Japão.
“Esta questão é importante porque está diretamente relacionada às razões da existência de estrelas, galáxias e de nós mesmos.”
Desequilíbrio entre matéria e antimatéria
De acordo com a teoria do Big Bang, o universo deveria ter começado com quantidades iguais de matéria e antimatéria. Cada partícula de matéria tem um parceiro de antimatéria com a mesma massa, mas com carga oposta, e quando se encontram, aniquilam-se em energia pura. Se tudo estivesse perfeitamente equilibrado, toda matéria e antimatéria deveriam se destruir, restando apenas radiação.
Em vez disso, quase tudo o que observamos hoje é feito de matéria, e quase nenhuma antimatéria é visível no universo. Cálculos simples mostram que todo o universo observável, desde átomos individuais até aglomerados de galáxias, existe porque apenas uma partícula extra de matéria sobreviveu para cada bilhão de pares matéria-antimatéria no universo primitivo.
O Modelo Padrão da física de partículas descreve com sucesso a maioria das partículas e forças conhecidas, mas não consegue explicar esta pequena mas crucial assimetria. As suas previsões de excesso de substâncias estão erradas em muitas ordens de grandeza. Compreender como são criadas pequenas quantidades de matéria restante, conhecido como processo de barionogênese, continua sendo uma das principais questões não resolvidas da física.
Construindo novos modelos usando a estrutura do universo
Nitta e Minoru Eto do WPI-SKCM2 da Universidade de Hiroshima, um centro de pesquisa focado em nós e fenômenos quirais em diferentes sistemas e escalas, e Yu Hamada da Deutsches Elektronen-Synchrotron na Alemanha acreditam que uma solução razoável pode estar escondida em uma extensão bem motivada da física conhecida.
Ao combinar a simetria medida do número leptônico negativo de bárion (BL) com a simetria Peche-Quine (PQ), a equipe descobriu que estruturas com nós estáveis poderiam se formar naturalmente no universo primitivo e mais tarde produzir o excesso de matéria observado.
Eto também é professor na Universidade Yamagata, e todos os três cientistas são afiliados à Universidade Keio, no Japão.
Neutrinos fantasmagóricos, áxions e simetrias ocultas
Estas duas simetrias adicionais têm sido estudadas há décadas porque ajudam a resolver algumas das maiores deficiências do Modelo Padrão. A simetria PQ resolve o forte problema do CP, o que explica por que os experimentos não conseguem detectar o minúsculo momento de dipolo elétrico dos nêutrons previsto pela teoria. Ao resolver este quebra-cabeça, a simetria PQ introduz o áxion, uma partícula hipotética que é a principal candidata à matéria escura. Ao mesmo tempo, a simetria BL fornece uma explicação natural para a razão pela qual os neutrinos têm massa, apesar de interagirem tão fracamente com a matéria que podem passar por planetas inteiros sem deixar vestígios.
Neste modelo, a simetria PQ permanece como uma simetria global em vez de ser “medida”, o que preserva a física precisa dos áxions necessária para resolver o problema de CP forte. Na física, “medir” uma simetria significa permitir que ela atue de forma independente em cada ponto do espaço-tempo. Esta liberdade tem um preço, pois a teoria requer uma nova partícula portadora de força para manter as equações consistentes. Ao medir a simetria BL, os pesquisadores garantiram a existência de neutrinos destros pesados, que são necessários para eliminar anomalias na teoria e desempenham um papel fundamental em muitos cenários de bariogênese. Medir BL também produz um comportamento semelhante ao dos supercondutores e estabelece as estruturas magnéticas que permitiram a formação de alguns dos primeiros nós do universo.
Cordas cósmicas no universo jovem
À medida que o Universo se expandiu e arrefeceu após o Big Bang, provavelmente passou por uma série de transições de fase nas quais a sua simetria foi quebrada em etapas. Este processo, tal como a forma irregular como a água congela e se transforma em gelo, pode deixar para trás pequenos defeitos semelhantes a fios chamados cordas cósmicas. Estes objetos são frequentemente descritos como fendas no espaço-tempo e permanecem hipotéticos, mas muitos cosmólogos consideram-nos uma forte possibilidade. Embora mais fino que um próton, apenas um centímetro de corda pode pesar tanto quanto uma montanha.
À medida que o universo crescia, essas redes de cordas esticavam-se, torciam-se e enredavam-se, preservando informações sobre as condições que existiam nos primeiros momentos.
A quebra da simetria BL cria cordas como tubos de fluxo magnético, enquanto a simetria PQ cria redemoinhos superfluidos que não transportam fluxo magnético. A clara distinção entre esses dois tipos de defeitos é a razão pela qual eles podem ser agrupados. O tubo de fluxo BL fornece uma estrutura de conexão para o acoplamento Chern-Simons de vórtices superfluidos PQ. Este acoplamento, por sua vez, permite que o vórtice superfluido PQ bombeie carga para o tubo de fluxo BL e se oponha à tensão que normalmente faria com que o anel encolhesse e quebrasse. O resultado é um estado topologicamente bloqueado de longa duração chamado sóliton de junção.
“Ninguém estudou as duas simetrias ao mesmo tempo”, disse Nitta. “Isso é uma sorte para nós. Uni-los mostra um nó estável.”
A Era da Dominância da Junção e o Tunelamento Quântico
A radiação no universo em expansão perde gradualmente energia à medida que seus comprimentos de onda se estendem pelo espaço e pelo tempo. No entanto, os nós comportam-se mais como a matéria comum, pelo que a sua densidade de energia diminui muito mais lentamente. Com isso, acabaram dominando a radiação, criando um período na história do universo em que a energia armazenada nos nós controlava a evolução do universo.
Essa fase não durou para sempre. Esses nós são eventualmente desvendados por meio do tunelamento quântico, processo no qual as partículas passam por barreiras de energia que seriam intransponíveis na física clássica, como se estivessem atravessando uma parede. Quando os nós entram em colapso, eles produzem neutrinos destros pesados, um resultado direto da simetria BL embutida em sua estrutura. Essas partículas muito grandes e indescritíveis decaem em partículas mais leves e estáveis, com uma ligeira preferência pela matéria em vez da antimatéria. Esta pequena preferência acabou por levar ao universo cheio de matéria que vemos hoje.
“Essencialmente, este colapso cria uma chuva de partículas, incluindo neutrinos destros, bósons escalares e bósons de calibre, como uma chuva”, explica o co-autor do estudo, Hamada. “Destes, os neutrinos destros são especiais porque seu decaimento cria naturalmente um desequilíbrio entre matéria e antimatéria. Esses neutrinos pesados decaem em partículas mais leves, como elétrons e fótons, criando uma cascata secundária que reaquece o universo.”
“Nesse sentido”, acrescentou, “eles são os pais de toda a matéria do universo hoje, incluindo nossos próprios corpos, e os nós podem ser considerados nossos avós”.
Conectando a Física do Nó ao Universo de Hoje
Para testar a sua ideia, os investigadores acompanharam detalhadamente os resultados matemáticos do seu modelo, incluindo a eficiência com que o nó produzia neutrinos destros, quão pesados eram esses neutrinos e quão quente era o Universo quando decaíram. Desse cálculo emerge naturalmente o desequilíbrio de matéria e antimatéria observado hoje.
Reorganizando a equação e assumindo que a massa real é 1012 Neutrinos destros pesados têm energias de até gigaelétron-volts (GeV), e a junção usa a maior parte de sua energia armazenada para produzir essas partículas, com modelos prevendo temperaturas de reaquecimento de cerca de 100 GeV. Esta temperatura coincide com a última oportunidade do Universo de criar matéria através de um desequilíbrio de neutrinos. Abaixo desta temperatura, o processo eletrofraco que converte a assimetria dos neutrinos em excesso de matéria é efetivamente encerrado.
O reaquecimento a 100 GeV também afetará a onda gravitacional de fundo do universo, mudando seu espectro para frequências mais altas. Futuros observatórios de ondas gravitacionais, incluindo a Antena Espacial de Interferômetro Laser da Europa (LISA), o Explorador Espacial da América e o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro Decihertz do Japão (DECIGO), poderão um dia ser capazes de detectar essas mudanças sutis no sinal de onda gravitacional cósmica.
“As cordas cósmicas são sólitons topológicos, objetos definidos por quantidades que permanecem as mesmas, não importa como você as torce ou estica”, disse Eto. “Esta propriedade não só garante a sua estabilidade, mas também significa que os nossos resultados são independentes dos detalhes do modelo. Embora este trabalho ainda seja teórico, a topologia subjacente não mudou, por isso vemos isto como um passo importante para desenvolvimentos futuros.”
Da visão de Kelvin a um modelo de nó realista
Lord Kelvin propôs originalmente que os nós poderiam ser os blocos de construção fundamentais da matéria. Esta ideia inicial revelou-se errada, mas novos trabalhos trazem de volta o espírito da sua proposta de uma forma mais sofisticada. Os investigadores acreditam que os seus resultados “fornecem pela primeira vez um modelo realista de física de partículas no qual os nós podem ter desempenhado um papel crucial na origem da matéria”.
“O próximo passo é refinar modelos teóricos e simulações para melhor prever a formação e decadência dessas junções e conectar suas características aos sinais observacionais”, disse Nita. “Em particular, os próximos experimentos de ondas gravitacionais, como LISA, Cosmic Explorer e DECIGO, serão capazes de testar se o universo realmente experimentou uma era dominada por nós.”
Em última análise, a equipa espera determinar se as estruturas semelhantes a nós são realmente cruciais para a criação de matéria no Universo. Se assim for, eles poderiam ajudar a montar uma história mais completa e fisicamente testável de como o universo começou.
