Colisor cósmico pode explicar por que a antimatéria sumiu do Universo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/09/2022

Para a professora Yanou Cui, o próprio universo pode ter-nos dado um colisor cosmológico para testar nossas teorias.
[Imagem: UCR]

Leptogênese e bariogênese

Segundo a teoria do Big Bang, o universo foi inicialmente preenchido com quantidades iguais de matéria e antimatéria - partículas que são contrapartes da matéria, mas com cargas opostas. Contudo, à medida que o espaço se expandia, o universo esfriou e, hoje, ele está repleto de galáxias e estrelas feitas de matéria.

Para onde foi a antimatéria e como a matéria passou a dominar tudo?

Ninguém tem uma resposta para esse que é um dos maiores enigmas da cosmologia, mas podemos ter um novo caminho para trilhar em busca de solucioná-lo.

Para Yanou Cui (Universidade da Califórnia, Riverside) e Zhong-Zhi Xianyu (Universidade de Tsinghua na China) o caminho para investigar a origem cósmica da matéria e a assimetria matéria-antimatéria passa pelos colisores cosmológicos e por um mecanismo conhecido como leptogênese.

Leptogênese é o termo genérico para os processos físicos hipotéticos que teriam produzido uma assimetria entre léptons e antiléptons - léptons são partículas pouco interativas, como os elétrons, múons e neutrinos. Se tiver mesmo havido uma assimetria leptônica, ela pode ter gerado uma assimetria bariônica - os bárions (em última instância as estrelas, planetas e tudo o mais "material") interagem pela força forte, sendo seus representantes mais conhecidos os prótons (núcleos atômicos) e os nêutrons. E os físicos acreditam que esta é uma boa rota para explicar a assimetria entre matéria e antimatéria.

Já os aceleradores cósmicos são fenômenos ainda não totalmente compreendidos, mas que aceleram partículas em energias impensáveis para nossos aceleradores, como o LHC. Conforme essas partículas hipervelozes se chocam com o gás e a poeira dispersa pelo universo, geram-se colisões, pelo que os cosmólogos falam em colisores cósmicos de partículas. É nesses colisores que são criados raios cósmicos, alguns neutrinos e mesmo estranhas ondas de rádio.

A novidade do trabalho é fornecer um modo de testar a hipótese da leptogênese.
[Imagem: Yanou Cui et al. - 10.1103/PhysRevLett.129.111301]

Neutrino destro

A novidade do trabalho dos dois físicos é que eles elaboraram uma proposta para testar observacionalmente a leptogênese.

"A leptogênese está entre os mecanismos mais convincentes que geram a assimetria matéria-antimatéria," disse Cui. "Ela envolve uma nova partícula fundamental, o neutrino destro. Durante muito tempo pensou-se, no entanto, que testar a leptogênese seria quase impossível porque a massa do neutrino destro é tipicamente muitas ordens de magnitude além do alcance da energia mais alta do maior colisor já construído, o Grande Colisor de Hádrons."

Portanto, explicar a origem da matéria pode envolver partículas muito mais pesadas, exigindo uma energia muito maior do que um colisor feito pelo homem pode fornecer. Acontece que o cosmos primitivo poderia ter servido como um super colisor.

É amplamente aceito que a inflação cósmica, uma era em que o universo se expandiu a uma taxa exponencialmente acelerada, sucedeu o Big Bang.

"A inflação cósmica proporcionou um ambiente altamente energético, permitindo a produção de novas partículas pesadas, bem como suas interações," explicou Cui. "O universo inflacionário se comportou como um colisor cosmológico, exceto que a energia era até 10 bilhões de vezes maior do que qualquer colisor feito pelo homem."

E o efeito desse colisor cosmológico, argumentam os pesquisadores, teria permitido a produção do neutrino destro superpesado durante a época inflacionária.

Assim, a dupla propõe testar a leptogênese decodificando as propriedades estatísticas detalhadas da distribuição espacial de objetos na estrutura cósmica observada hoje, remanescente da física microscópica durante a inflação cósmica.

O telescópio SPHEREx irá observar o universo na frequência do infravermelho próximo.
[Imagem: JPL/Nasa]

Nova física de partículas

De acordo com Cui, estruturas microscópicas criadas por eventos energéticos durante a inflação foram esticadas à medida que o universo se expandiu, resultando em regiões de densidade variável em um universo que de outro modo seria homogêneo. Posteriormente, essas estruturas microscópicas serviram de sementes para a estrutura em grande escala do nosso universo, manifestada hoje como a distribuição das galáxias pelo céu.

"O fato de o nosso universo atual ser dominado pela matéria permanece entre os mistérios mais desconcertantes e de longa data da física moderna," disse Cui. "Um sutil desequilíbrio ou assimetria entre matéria e antimatéria no universo primitivo é necessário para alcançar o domínio da matéria de hoje, mas não pode ser realizado dentro da estrutura conhecida da física fundamental."

A pesquisadora explica que essa nova física de partículas subatômicas pode ser revelada estudando as marcas do colisor cosmológico no conteúdo do cosmos hoje, como as galáxias e o fundo cósmico de micro-ondas.

"Especificamente, demonstramos que as condições essenciais para a geração de assimetria, incluindo as interações e massas do neutrino destro, que é o jogador-chave aqui, podem deixar impressões digitais distintas nas estatísticas da distribuição espacial das galáxias ou no fundo cósmico de micro-ondas, e que podem ser medidas com precisão," disse Cui. "As observações astrofísicas previstas para os próximos anos podem potencialmente detectar tais sinais e desvendar a origem cósmica da matéria."

Cui e Xianyu relatam que, aplicando a física do colisor cosmológico, e usando dados de precisão para medir a estrutura do nosso universo usando futuros experimentos, como o SPHEREx, e a tomografia de linha de 21 cm, o mistério da origem cósmica da matéria pode ser desvendado.

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