Em 1867, Lord Kelvin imaginou que os átomos eram pequenos nós em um meio invisível chamado éter. Essa imagem acabou se revelando incorreta, uma vez que os átomos são formados por partículas subatômicas em vez de torções no espaço. No entanto, sua ideia descartada sobre estruturas emaranhadas pode ainda ajudar a explicar uma das questões mais profundas da ciência: por que existe algo no universo.
Uma equipe de físicos no Japão demonstrou que estruturas emaranhadas podem aparecer naturalmente em um modelo de física de partículas realista que também aborda vários mistérios importantes, incluindo as origens das massas dos neutrinos, da matéria escura e do problema forte de CP. O estudo, publicado na Physical Review Letters, sugere que esses “nós cósmicos” podem ter se formado no universo primitivo, em rápida mudança, brevemente dominando como uma forma de energia e, em seguida, colapsando de maneira a favorecer ligeiramente a matéria em relação à antimateria. À medida que se formavam e decaíam, esses nós teriam agitado o próprio espaço-tempo, produzindo um padrão distinto de ondas gravitacionais que futuros detectores talvez consigam captar, algo 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 antimateria”, disse o coautor do estudo, Muneto Nitta, professor (com nomeação especial) no Instituto Internacional de Sustentabilidade com Materiais Metatélicos Emaranhados da Universidade de Hiroshima, no Japão.
“Essa questão é importante porque toca diretamente na razão pela qual estrelas, galáxias e nós mesmos existimos.”
O desequilíbrio entre matéria e antimateria
De acordo com a teoria do Big Bang, o universo deveria ter começado com quantidades iguais de matéria e antimateria. Cada partícula de matéria tem um parceiro de antimateria com a mesma massa, mas carga oposta, e quando se encontram, se aniquilam em energia pura. Se tudo tivesse equilibrado perfeitamente, toda a matéria e antimateria deveriam ter se destruído mutuamente, deixando apenas radiação atrás.
No entanto, quase tudo que observamos hoje é feito de matéria, com quase nenhuma antimateria 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 de matéria extra sobreviveu para cada bilhão de pares de matéria-antimatéria.
O Modelo Padrão da física de partículas, que descreve com sucesso a maioria das partículas e forças conhecidas, não consegue explicar essa pequena, mas crucial, assimetria. Suas previsões para o excesso de matéria ficam aquém em muitas ordens de magnitude. Compreender como esse pequeno excedente de matéria surgiu, um processo conhecido como baryogênese, continua sendo um dos problemas centrais não resolvidos na física.
Construindo um novo modelo com nós cósmicos
Nitta e Minoru Eto, da WPI-SKCM2 da Universidade de Hiroshima, um centro de pesquisa focado em fenômenos emaranhados e quirais em diferentes sistemas e escalas, junto com Yu Hamada, do Deutsches Elektronen-Synchrotron na Alemanha, argumentam que uma solução plausível pode estar escondida em uma extensão bem fundamentada da física conhecida.
Combinando uma simetria de Baryon Number Minus Lepton Number (B-L) com a simetria de Peccei-Quinn (PQ), a equipe descobriu que configurações emaranhadas estáveis poderiam se formar naturalmente no universo primitivo e, posteriormente, produzir o excedente de matéria observado.
Eto também é professor na Universidade de Yamagata, e os três cientistas estão afiliados à Universidade Keio, no Japão.
Neutrinos esquiva e simetrias ocultas
Essas duas simetrias adicionais têm sido estudadas por décadas porque ajudam a resolver algumas das maiores deficiências do Modelo Padrão. A simetria PQ aborda o problema forte de CP, que questiona por que experiências falham em detectar o diminuto momento dipolar elétrico que a teoria prevê para o nêutron. Ao resolver este enigma, a simetria PQ introduz o axion, uma partícula hipotética que é um dos principais candidatos à matéria escura. Ao mesmo tempo, a simetria B-L fornece uma explicação natural para por que os neutrinos têm massa, mesmo que interajam tão fracamente com a matéria que podem passar através de planetas inteiros sem deixar rastros.
Em este modelo, a simetria PQ é mantida como uma simetria global em vez de ser “gaugeada”, o que protege a delicada física do axion necessária para resolver o problema forte de CP. Em física, “gaugear” uma simetria significa permitir que ela atue independentemente em cada ponto do espaço-tempo. Essa liberdade traz um custo, porque a teoria então requer uma nova partícula mediadora de força para manter as equações consistentes. Ao gaugear a simetria B-L em vez disso, os pesquisadores garantiram a existência de neutrinos direitos pesados, que são necessários para cancelar anomalias na teoria e desempenham um papel fundamental em muitos cenários de baryogênese. Gaugear B-L também produz um comportamento semelhante ao de um supercondutor e estabelece a estrutura magnética que permite que alguns dos primeiros nós no universo se formem.
Fios cósmicos no universo jovem
À medida que o universo se expandiu e esfriou após o Big Bang, ele provavelmente passou por uma série de transições de fase nas quais suas simetrias se quebraram em etapas. Esse processo, que pode ser comparado à água congelando em gelo de forma irregular, pode ter deixado para trás defeitos finos e filamentosos conhecidos como fios cósmicos. Esses objetos são frequentemente descritos como rachaduras no espaço-tempo e permanecem hipotéticos, mas muitos cosmólogos os consideram uma possibilidade séria. Apesar de serem mais finos que um próton, apenas uma polegada de tal fio poderia pesar tanto quanto uma montanha.
À medida que o universo crescia, uma rede desses fios teria se esticado, retorcido e emaranhado, preservando informações sobre as condições que existiam nos momentos mais iniciais.
A quebra da simetria B-L produziu fios que se comportam como tubos de fluxo magnético, enquanto a simetria PQ criou vórtices superfluidos que não transportam fluxo magnético. A diferença marcante entre esses dois tipos de defeitos é exatamente o que permite que eles se encaixem. O tubo de fluxo B-L fornece uma estrutura para o acoplamento Chern-Simons do vórtice superfluido PQ se anexar. Por sua vez, esse acoplamento permite que o vórtice superfluido PQ bombeie carga elétrica para o tubo de fluxo B-L e se oponha à tensão que normalmente faria o laço encolher e se partir. O resultado é um estado de longa duração, topologicamente fixado, conhecido como solitônio emaranhado.
“Ninguém havia estudado essas duas simetrias ao mesmo tempo”, disse Nitta. “Isso foi meio que sorte para nós. Juntá-las revelou um nó estável.”
Uma era dominada por nós e tunelamento quântico
A radiação no universo em expansão gradualmente perdeu energia à medida que seus comprimentos de onda se esticaram com o espaço-tempo. Os nós, no entanto, se comportaram mais como matéria comum, de modo que sua densidade de energia diminuiu de maneira muito mais lenta. Como resultado, eventualmente vieram a dominar sobre a radiação, criando um período na história cósmica em que a energia armazenada nos nós controlava a evolução do universo.
Essa fase não durou para sempre. Os nós acabaram se desenrolando por meio do tunelamento quântico, um processo no qual partículas cruzam barreiras de energia que seriam intransponíveis na física clássica, como se estivessem passando através de uma parede. Quando os nós colapsaram, produziram neutrinos direitos pesados como uma consequência direta da simetria B-L incorporada em sua estrutura. Essas partículas muito massivas e elusivas então decaíram em partículas mais leves e estáveis com uma ligeira preferência pela matéria em relação à antimateria. Essa pequena preferência acabou levando ao universo cheio de matéria que vemos hoje.
“Basicamente, esse colapso produz muitas partículas, incluindo os neutrinos direitos pesados, os boson scalars e os bosons gauge, como uma chuva”, explica o coautor do estudo, Hamada. “Entre elas, os neutrinos direitos são especiais porque seu decaimento pode gerar naturalmente o desequilíbrio entre matéria e antimateria. Esses neutrinos pesados decaem em partículas mais leves, como elétrons e fótons, criando uma cascata secundária que reaquecida 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 atual
Para testar sua ideia, os pesquisadores seguiram as consequências matemáticas de seu modelo em detalhes, incluindo quão eficientemente os nós produzem neutrinos direitos pesados, quão pesados esses neutrinos são e quão quente o universo se torna quando eles decaem. A partir desse cálculo, o desequilíbrio entre matéria e antimateria observado hoje surge naturalmente.
Ajustando as equações e assumindo uma massa realista de 1012 giga-eletronvolts (GeV) para os neutrinos direitos pesados e que os nós transferem a maior parte de sua energia armazenada na criação dessas partículas, o modelo prevê uma temperatura de reaquecimento de cerca de 100 GeV. Essa temperatura coincide com a última oportunidade para o universo gerar matéria a partir de um desequilíbrio de neutrinos. Abaixo dessa temperatura, processos eletrofracos que convertem uma assimetria de neutrinos em um excesso de matéria efetivamente se desligam.
O reaquecimento a 100 GeV também afetaria o pano de fundo de ondas gravitacionais do universo, deslocando seu espectro para frequências mais altas. Futuras observatórios de ondas gravitacionais, incluindo o Laser Interferometer Space Antenna (LISA) na Europa, Cosmic Explorer nos Estados Unidos e o Deci-hertz Interferometer Gravitational-wave Observatory (DECIGO) no Japão, poderão algum dia detectar essa sutil mudança no sinal gravitacional cósmico.
“Os fios cósmicos são uma espécie de solitônio topológico, objetos definidos por quantidades que permanecem as mesmas não importa o quanto você torça ou estique-os”, disse Eto. “Essa propriedade não só garante sua estabilidade, mas também significa que nosso resultado não está atrelado aos detalhes do modelo. Mesmo que o trabalho ainda seja teórico, a topologia subjacente não muda, por isso vemos isso como um passo importante em direção a futuros desenvolvimentos.”
Da visão de Kelvin a um modelo realista de nós
Lord Kelvin originalmente sugeriu que nós poderiam ser os constituintes básicos da matéria. Essa ideia inicial acabou se mostrando incorreta, mas o novo trabalho traz de volta o espírito de sua proposta de uma maneira mais sofisticada. Os pesquisadores afirmam que seus resultados “fornecem, pela primeira vez, um modelo realista de física de partículas no qual 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 o decaimento desses nós e conectar suas assinaturas com sinais observacionais”, disse Nitta. “Em particular, os próximos experimentos de ondas gravitacionais, como LISA, Cosmic Explorer e DECIGO, poderão testar se o universo realmente passou por uma era dominada por nós.”
Em última análise, a equipe espera determinar se estruturas emaranhadas foram realmente essenciais na criação da matéria no universo. Se sim, elas podem ajudar a compor uma história mais completa e fisicamente testável sobre como o cosmos começou.