Leis da física nem sempre foram simétricas. E isso explica porque você existe

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/06/2023

A teoria diz que o Big Bang deveria ter criado iguais quantidades de matéria e antimatéria. Se fosse assim, nada existiria.
[Imagem: Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics]

O dilema da simetria

Por gerações, os físicos tiveram certeza de que as leis da física eram perfeitamente simétricas. Até que eles perderam essa certeza.

A simetria é uma ideia elegante e atraente, mas que se desfaz em nosso Universo desarrumado. De fato, desde a década de 1960, algum tipo de quebra de simetria tem sido necessária para explicar por que há mais matéria do que antimatéria no Universo - ou seja, por que as coisas existem.

Mas identificar a fonte por trás dessa violação existencial da simetria - até mesmo encontrar provas dela - vinha sendo algo inalcançável.

Agora, um trio de astrônomos da Universidade da Flórida, nos EUA, acredita ter encontrado a primeira evidência observacional dessa necessária violação de simetria no momento da criação.

Para isso, eles estudaram um estonteante milhão de trilhões de quádruplos galácticos tridimensionais, descobrindo que o Universo, em um determinado ponto, preferia um conjunto de formas sobre suas imagens espelhadas.

Hoje ela é uma realidade nos experimentos, mas a antimatéria não surgiu dos experimentos, surgiu da matemática.
[Imagem: Kimberly Boustead/Sandbox Studio]

Por que existimos?

Essa ideia, conhecida como violação da simetria de paridade, aponta para um período infinitesimal na história do nosso Universo, quando as leis da física eram diferentes do que são hoje, com enormes consequências para a evolução do Universo.

A descoberta, estabelecida com um alto nível de confiança estatística, tem duas consequências principais.

Primeiro, essa violação de paridade só poderia ter-se impresso nas futuras galáxias durante um período de inflação extrema nos primeiros momentos do Universo, confirmando um componente central da teoria do Big Bang da origem do cosmos.

Segundo, a violação de paridade ajuda a responder talvez à pergunta mais crucial da cosmologia: Por que existe algo em vez de nada? Isso porque a violação de paridade é necessária para explicar por que há mais matéria do que antimatéria, uma condição essencial para galáxias, estrelas, planetas e vida se formarem da maneira que se formaram.

Experimentos também tentam explicar o mistério cósmico da antimatéria.
[Imagem: Enrico Sacchetti]

Tantos cálculos exigiram uma nova matemática

Primeiro a equipe propôs a ideia de procurar pela violação de paridade usando quádruplos de galáxias.

O conceito envolve pensar em todas as combinações possíveis de quatro galáxias conectadas por linhas imaginárias no espaço. Isso cria um objeto 3D, um tetraedro, como uma pirâmide torta. Essa é a forma mais simples que possui uma imagem espelhada, o que tem tudo a ver com a noção de simetria da física - a simetria de paridade é a ideia de que as leis físicas não devem preferir uma forma à sua imagem no espelho.

Os pesquisadores então definiram tetraedros galácticos destros e canhotos com base em como as galáxias estão conectadas a seus parceiros mais próximos e mais distantes nessas formas imaginárias. Catalogar essas formas pode então dizer se o Universo tem ou não uma preferência por formatos à direita ou à esquerda, ou seja, dizer se há uma simetria de paridade ou se há uma violação da simetria de paridade.

O método proposto exigia a análise de um trilhão de tetraedros imaginários para cada um de um milhão de galáxias, um número impressionante de combinações. "Eventualmente, percebemos que precisávamos de uma nova matemática," disse Zachary Slepian, membro da equipe. Eles então desenvolveram fórmulas matemáticas sofisticadas que permitiram que os imensos cálculos fossem realizados em um período razoável, ao menos em um supercomputador.

O resultado apresentou uma evidência clara de que o cosmos tem uma preferência nessa lateralidade, um resultado estabelecido com um grau de certeza de sete sigmas, uma medida de quão improvável é alcançar o resultado baseado apenas no acaso. Na física, um resultado com um valor sigma de cinco ou mais é normalmente considerado confiável porque as chances de um resultado aleatório nesse nível são extremamente pequenas.

O observatório DESI deverá trazer os dados que faltam para garantir certeza nos resultados obtidos agora.
[Imagem: DESI/LBL]

O que sabemos agora e o que resta saber

Embora os três astrônomos estejam confiantes neste sinal de violação de paridade, ainda é possível que a incerteza nas medições possa explicar a assimetria. Felizmente, amostras muito maiores de galáxias podem fornecer dados suficientes para eliminar essas incertezas em apenas alguns anos.

A equipe está de olho sobretudo nos resultados do Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI), instalado no Arizona, que começou a coletar dados em 2021 e deverá completar sua primeira varredura do céu em 2026.

Esta não é a primeira vez que a violação de paridade é detectada: Uma das forças fundamentais, a força fraca, também viola a paridade. Mas seu alcance é extremamente limitado e não pode influenciar a escala das galáxias. Assim, esta é a primeira evidência de violação de paridade que pode afetar o agrupamento tridimensional das galáxias no Universo. E essa influência galáctica exigiria que a violação de paridade ocorresse no momento do Big Bang, um período hipotético conhecido como inflação.

"Como a violação da paridade só pode ser impressa no Universo durante a inflação, se o que descobrimos for verdade, isso fornece evidências irrefutáveis para a inflação," disse Slepian.

A violação de paridade da força fraca também não consegue explicar a abundância de matéria e a raridade da antimatéria. Em um Universo simétrico, o Big Bang deveria ter criado quantidades iguais de matéria e antimatéria, que teriam se aniquilado e deixado o Universo sem estrelas e planetas. Como acabamos claramente com um Universo feito principalmente de matéria, os físicos há muito procuram algum sinal de assimetria na criação inicial.

Contudo, mesmo se totalmente confirmados, estes novos resultados ainda não conseguem explicar como chegamos a essa abundância crucial de matéria. O "como isso aconteceu" exigirá uma nova física, que vá além do Modelo Padrão, que explica nosso Universo atual. Mas os novos resultados sugerem fortemente que houve uma assimetria nos primeiros momentos do Big Bang.

Agora começou a corrida para os físicos produzirem uma teoria que possa explicar a preferência pela imagem especular do Universo e o excesso de matéria.

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