Em 1867, Lord Kelvin imaginou os átomos como pequenos nódulos num meio invisível chamado éter. Essa imagem revelou-se errada, porque os átomos são feitos de partículas subatômicas, e não de voltas no espaço. No entanto, sua ideia descartada de estruturas com nós ainda pode ajudar a explicar uma das questões mais profundas da ciência: por que existe alguma coisa no universo.
Um grupo de físicos do Japão mostrou agora que estruturas com nós podem aparecer naturalmente num modelo realista de física de partículas que também aborda vários mistérios fundamentais, incluindo a origem das massas de neutrinos, a matéria escura e o problema forte do CP. Seu estudo, publicado em Revisão de planilhas físicassugere que tais “nós cósmicos” podem ter se formado no turbulento universo primitivo, capturados brevemente como a 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 abalaram o próprio espaço-tempo, criando um padrão distinto de ondas gravitacionais que os futuros detectores poderiam 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 nosso universo é feito de matéria e não de antimatéria”, disse o autor correspondente do estudo, Muneto Nito, professor (nomeação especial) do Instituto Internacional para Sustentabilidade em Metamatéria Chiral Notada (WPI-SKCM2) da Universidade de Hiroshima, no Japão.
“Esta questão é importante porque afeta diretamente a razão pela qual as estrelas, as galáxias e nós mesmos existem.”
Desequilíbrio de 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 antimatéria de massa igual, mas com carga oposta, e quando se encontram, aniquilam-se em energia pura. Se tudo estivesse perfeitamente equilibrado, toda matéria e antimatéria deveriam se aniquilar, deixando apenas a radiação para trás.
Em vez disso, quase tudo o que observamos hoje é feito de matéria e quase não existe antimatéria no espaço. Cálculos simples mostram que todo o universo observável, desde átomos individuais até aglomerados de galáxias, existe porque apenas uma partícula extra de matéria sobreviveu no universo primitivo 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 sobre o excesso de matéria são justificadas em muitas ordens de grandeza. Compreender como surgiu um pequeno excesso de matéria, um processo conhecido como bariogênese, continua sendo um dos problemas centrais não resolvidos da física.
Montando um novo modelo com nós espaciais
Nito e Minoru Eto do WPI-SKCM2 da Universidade de Hiroshima, um centro de investigação que lida com fenómenos nodosos e quirais em vários sistemas e escalas, juntamente com Yu Hamada da Deutsches Elektronen-Synchrotron na Alemanha, argumentam que uma solução plausível pode residir numa extensão bem motivada da física conhecida.
Ao combinar a simetria medida do número bariônico menos o número leptônico (BL) com a simetria Pechei-Quinn (PQ), a equipe descobriu que configurações com nós estáveis poderiam ter se formado naturalmente no universo primitivo e mais tarde produzido 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 fantasmas, 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 um forte problema de 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 para o papel da matéria escura. Ao mesmo tempo, a simetria BL fornece uma explicação natural para a razão pela qual os neutrinos têm massa, embora interajam tão fracamente com a matéria que podem passar por planetas inteiros sem deixar vestígios.
Neste modelo, a simetria PQ é preservada como uma simetria global em vez de “medida”, o que protege a delicada física 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, porque a teoria requer uma nova partícula portadora de força para manter as equações consistentes. Em vez disso, ao medir a simetria do BL, os investigadores confirmaram a existência de neutrinos destros pesados, que são necessários para cancelar anomalias na teoria e desempenham um papel fundamental em muitos cenários de bariogénese. A medição BL também produz um comportamento semelhante ao de um supercondutor e estabelece uma 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 a sua simetria foi quebrada em etapas. Este processo, que pode ser comparado ao congelamento não uniforme da água em gelo, poderia ter deixado para trás finos defeitos 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. Embora essa corda seja mais fina que um próton, apenas uma polegada dessa corda pode pesar tanto quanto uma montanha.
À medida que o Universo crescia, a teia destes fios esticava-se, torcia-se e emaranhava-se, armazenando informações sobre as condições que existiam nos seus 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 justamente o que permite que eles se combinem. O tubo de fluxo BL fornece uma estrutura para fixação do acoplamento Chern-Simons do vórtice superfluido PQ. Por sua vez, este acoplamento permite que o vórtice superfluido PQ bombeie carga elétrica para o tubo de fluxo BL e resista à tensão que normalmente faria com que o circuito se contraísse e quebrasse. O resultado é um estado topologicamente fechado de longa duração conhecido como nó sóliton.
“Ninguém estudou estas duas simetrias ao mesmo tempo”, disse Nito. “Tivemos sorte. Se você conectá-los, terá uma conexão estável.”
A era do domínio dos nós e do 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 nos nós controlava a evolução do universo.
Esta fase não durou para sempre. Eventualmente, os nós se desfizeram por meio do tunelamento quântico, 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 pesados neutrinos destros como consequência direta da simetria BL incorporada em sua estrutura. Essas partículas muito massivas e indescritíveis decaíram em partículas mais leves e estáveis, com uma ligeira preponderância de matéria sobre antimatéria. Esta pequena vantagem acabou por levar ao universo cheio de matéria que vemos hoje.
“Essencialmente, este colapso produz muitas partículas, incluindo neutrinos destros, bósons escalares e bósons de calibre, que são semelhantes às almas”, explica o coautor do estudo, Hamada. “Entre eles, os neutrinos direitos são especiais porque o seu decaimento pode causar naturalmente um desequilíbrio entre matéria e antimatéria. Estes neutrinos pesados decaem em partículas mais leves, como eletrões e fotões, criando uma cascata secundária que aquece o Universo.”
“Nesse sentido”, acrescentou, “eles são os pais de toda a matéria do universo moderno, incluindo nossos próprios corpos, enquanto os nós podem ser considerados nossos avós”.
Conectando a física dos nós ao universo moderno
Para testar a sua ideia, os investigadores seguiram detalhadamente as implicações 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. A partir deste cálculo, o desequilíbrio observado entre matéria e antimatéria surge naturalmente hoje.
Reorganizando as equações e assumindo uma massa realista de 1012 gigaelétron-volt (GeV) para 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 criar matéria a partir do desequilíbrio de neutrinos. Abaixo desta temperatura, os processos eletrofracos que transformam a assimetria dos neutrinos em excesso de matéria são efetivamente desligados.
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 (LISA) na Europa, o Cosmic Explorer nos Estados Unidos e o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro Decihertz (DECIGO) no Japão, poderão um dia ser capazes de detectar esta mudança sutil no sinal da onda gravitacional cósmica.
“As cordas cósmicas são uma espécie de sólitons topológicos, objetos definidos por quantidades que permanecem iguais, não importa o quanto você os torça ou estique”, disse Eto. “Esta propriedade não só garante a sua estabilidade, mas também significa que o nosso resultado não está vinculado às especificidades do modelo. Embora o trabalho ainda seja teórico, a topologia básica não muda, por isso vemos isto como um passo importante para 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 errada, mas o novo trabalho traz de volta o espírito da sua proposta de uma forma mais sofisticada. Os investigadores afirmam que os seus resultados “fornecem pela primeira vez um modelo realista da física de partículas no qual os nós podem desempenhar um papel crucial na origem da matéria”.
“O próximo passo é melhorar os modelos teóricos e simulações para prever melhor a formação e decadência destes nós, e conectar as suas assinaturas com sinais observacionais”, disse Nito. “Em particular, os próximos experimentos 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 de facto necessárias para a criação de matéria no Universo. Se assim for, eles poderiam ajudar a construir uma história mais completa e fisicamente verificável de como o cosmos surgiu.
