Nós cósmicos podem finalmente explicar porque o Universo existe

Uma equipe de físicos no Japão mostrou agora que estruturas com nós podem aparecer naturalmente em um modelo realista de física de partículas que também aborda vários mistérios importantes, incluindo as origens das massas de neutrinos, da matéria escura e do forte problema do CP. Seu estudo, publicado em Cartas de revisão físicasugere que tais “nós cósmicos” poderiam ter se formado no universo primitivo em violenta mudança, brevemente assumidos como uma forma dominante de energia e depois colapsados ​​de uma forma que favoreceu ligeiramente a matéria em detrimento da antimatéria. À medida que se formavam e decaíam, estes nós teriam agitado o próprio espaço-tempo, produzindo um padrão distinto de ondas gravitacionais que os futuros detectores poderiam ser capazes de captar, o que é raro para um problema que normalmente é muito difícil de testar diretamente.

“Este estudo aborda um dos mistérios mais fundamentais da física: por que o nosso Universo é feito de matéria e não de antimatéria”, disse o autor correspondente do estudo, Muneto Nitta, professor (nomeação especial) do Instituto Internacional de Sustentabilidade com Meta Matéria Quiral Atada (WPI-SKCM2) da Universidade de Hiroshima, no Japão.

“Esta questão é importante porque aborda diretamente a razão pela qual as estrelas, as galáxias e nós próprios existimos.”

O 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 a matéria e antimatéria deveriam ter se destruído, deixando para trás apenas a radiação.

Em vez disso, quase tudo o que observamos hoje é feito de matéria, e quase nenhuma antimatéria é visível no cosmos. Cálculos simples mostram que todo o universo observável, desde átomos individuais até aglomerados de galáxias, existe porque, no universo primitivo, apenas uma partícula extra de matéria sobreviveu para cada bilhão de pares matéria-antimatéria.

O Modelo Padrão da física de partículas, que descreve com sucesso a maioria das partículas e forças conhecidas, não consegue explicar esta pequena mas crucial assimetria. Suas previsões para o excesso de matéria ficam aquém em muitas ordens de grandeza. Compreender como surgiu esse pequeno excedente de matéria, um processo conhecido como bariogênese, continua sendo um dos problemas centrais não resolvidos da física.

Construindo um novo modelo com nós cósmicos

Nitta e Minoru Eto do WPI-SKCM2 da Universidade de Hiroshima, um centro de investigação focado em fenómenos nodos e quirais em diferentes sistemas e escalas, juntamente com Yu Hamada do Deutsches Elektronen-Synchrotron na Alemanha, argumentam que uma solução plausível pode estar escondida numa extensão bem motivada da física conhecida.

Ao combinar uma simetria medida de Número Bariônico Menos Número Lepton (BL) com a simetria Peccei-Quinn (PQ), a equipe descobriu que configurações com nós estáveis ​​poderiam se formar naturalmente no universo primitivo e mais tarde produzir o excedente 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 aborda o forte problema do CP, que pergunta por que os experimentos não conseguem detectar o minúsculo momento de dipolo elétrico que a teoria prevê para o nêutron. 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 é mantida como uma simetria global em vez de ser “medida”, o que protege a delicada física dos áxions necessária para resolver o problema do CP forte. Na física, “avaliar” uma simetria significa permitir que ela atue de forma independente em todos os pontos do espaço-tempo. Esse tipo de liberdade tem um preço, porque a teoria exige então uma nova partícula portadora de força para manter as equações consistentes. Ao avaliar a simetria BL, os pesquisadores garantiram a existência de neutrinos destros pesados, que são necessários para cancelar anomalias na teoria e desempenham um papel fundamental em muitos cenários de bariogênese. A medição de BL também produz um comportamento semelhante ao de um supercondutor e estabelece a estrutura magnética que permite 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 as suas simetrias se quebraram em fases. Este processo, que pode ser comparado ao congelamento da água em gelo de forma irregular, pode ter deixado para trás defeitos finos, semelhantes a fios, conhecidos como cordas cósmicas. Estes objetos são frequentemente descritos como fissuras no espaço-tempo e permanecem hipotéticos, mas muitos cosmólogos consideram-nos uma possibilidade séria. Apesar de ser mais fino que um próton, apenas um centímetro dessa corda poderia pesar tanto quanto uma montanha.

À medida que o universo crescia, uma rede dessas cordas teria se esticado, torcido e emaranhado, preservando informações sobre as condições que existiam nos primeiros momentos.

A quebra da simetria BL produziu cordas que se comportam como tubos de fluxo magnético, enquanto a simetria PQ criou vórtices superfluidos que não transportam fluxo magnético. A grande diferença entre esses dois tipos de defeitos é exatamente o que permite que eles se encaixem. O tubo de fluxo BL fornece uma estrutura para o acoplamento Chern-Simons do vórtice superfluido PQ se conectar. Por sua vez, este acoplamento permite que o vórtice superfluido PQ bombeie carga elétrica para o tubo de fluxo BL e se oponha à tensão que normalmente faria com que o circuito encolhesse e quebrasse. O resultado é um estado de longa duração e topologicamente bloqueado, conhecido como nó soliton.

“Ninguém estudou essas duas simetrias ao mesmo tempo”, disse Nitta. “Isso foi uma sorte para nós. Colocá-los juntos revelou um nó estável.”

Uma era dominada por nós e tunelamento quântico

A radiação no universo em expansão perdeu gradualmente energia à medida que seus comprimentos de onda se alongavam com o espaço-tempo. Os nós, no entanto, comportaram-se mais como matéria comum, pelo que a sua densidade de energia diminuiu muito mais lentamente. Como resultado, acabaram por dominar a radiação, criando um período na história cósmica em que a energia armazenada em nós controlava a evolução do universo.

Esta fase não durou para sempre. Os nós acabaram por se desfazer através do tunelamento quântico, um processo no qual as partículas atravessam barreiras energéticas que seriam intransponíveis na física clássica, como se estivessem atravessando uma parede. Quando os nós entraram em colapso, eles produziram neutrinos destros pesados ​​como consequência direta da simetria BL embutida em sua estrutura. Essas partículas muito massivas e indescritíveis decaíram em partículas mais leves e estáveis, com uma ligeira preferência pela matéria em vez da antimatéria. Essa pequena preferência acabou por levar ao universo cheio de matéria que vemos hoje.

“Basicamente, este colapso produz muitas partículas, incluindo os neutrinos destros, os bósons escalares e o bóson de calibre, como uma chuva”, explica Hamada, coautor do estudo. “Entre eles, os neutrinos destros são especiais porque seu decaimento pode gerar naturalmente o 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 no universo hoje, incluindo nossos próprios corpos, enquanto os nós podem ser considerados nossos avós”.

Ligando a física dos nós ao universo de hoje

Para testar a sua ideia, os investigadores seguiram detalhadamente as consequências matemáticas do seu modelo, incluindo a eficiência com que os nós produzem neutrinos destros, quão pesados ​​são esses neutrinos e quão quente o Universo se torna quando eles decaem. Desse cálculo emerge naturalmente o desequilíbrio matéria-antimatéria observado hoje.

Reorganizando as equações e assumindo uma massa realista de 10¹² giga-elétron-volts (GeV) para os neutrinos destros pesados, e que os nós transferem a maior parte de sua energia armazenada para a criação dessas partículas, o modelo prevê uma temperatura de reaquecimento de cerca de 100 GeV. Esta temperatura coincide com a última oportunidade para o universo gerar matéria a partir de um desequilíbrio de neutrinos. Abaixo dessa temperatura, os processos eletrofracos que convertem uma assimetria de neutrinos em um excesso de matéria são efetivamente desligados.

O reaquecimento a 100 GeV também afetaria o fundo de ondas gravitacionais do universo, mudando seu espectro para frequências mais altas. Futuros observatórios de ondas gravitacionais, incluindo a Antena Espacial de Interferômetro Laser (LISA) na Europa, o Cosmic Explorer nos Estados Unidos e o Observatório de Ondas Gravitacionais Interferômetro Deci-hertz (DECIGO) no Japão, poderão um dia ser capazes de detectar esta mudança sutil no sinal de ondas gravitacionais cósmicas.

“As cordas cósmicas são uma espécie de sóliton topológico, objetos definidos por quantidades que permanecem iguais, não importa o quanto você os torça ou estique”, disse Eto. “Essa propriedade não apenas garante sua estabilidade, mas também significa que nosso resultado não está vinculado às especificidades do modelo. Embora o trabalho ainda seja teórico, a topologia subjacente não muda, por isso vemos isso como um passo importante em direção a desenvolvimentos futuros.”

Da visão de Kelvin a um modelo de nó realista

Lord Kelvin sugeriu originalmente que os nós poderiam ser os constituintes básicos da matéria. Essa ideia inicial revelou-se incorreta, mas o novo trabalho traz de volta o espírito da sua proposta de uma forma mais sofisticada. Os investigadores argumentam que os seus resultados “fornecem, pela primeira vez, um modelo realista de física de partículas no qual os nós podem desempenhar um papel crucial na origem da matéria”.

“O próximo passo é refinar modelos teóricos e simulações para prever melhor a formação e decadência desses nós e conectar suas assinaturas com sinais observacionais”, disse Nitta. “Em particular, as próximas experiências de ondas gravitacionais, como LISA, Cosmic Explorer e DECIGO, serão capazes de testar se o Universo realmente passou por uma era dominada por nós.”

Em última análise, a equipa espera determinar se as estruturas semelhantes a nós foram realmente essenciais na criação da matéria no Universo. Se assim for, eles poderiam ajudar a montar uma história mais completa e fisicamente testável de como o cosmos começou.