Nosso universo deveria ser uma névoa sem forma de energia. Por que ele não é?
De acordo com as leis conhecidas da física, o universo que vemos hoje deveria ser escuro, vazio e silencioso. Não deveria ter estrelas, nem planetas, nem galáxias e não haveria energia para formar a vida e partículas simples difundiriam-se cada vez mais para um universo em expansão.
E ainda assim, aqui estamos nós.
Os cosmólogos calculam que cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, o nosso universo era um pedaço de espessura de energia, quente, sem limites e sem suas próprias regras. Mas então, em menos de um microssegundo, ele amadureceu, e as leis e propriedades da matéria surgiram a partir do pandemônio fundamental. Mas, como é que o nosso universo elegante e intrincado emergiu?
As três condições
A pergunta “Como ele está aqui?” Alude a um enigma que surgiu durante o desenvolvimento da mecânica quântica.
Em 1928, Paul Dirac combinou a teoria quântica e a relatividade especial para prever a energia de um elétron se movendo perto da velocidade da luz. Mas suas equações produziram duas respostas igualmente favoráveis: uma positiva e outra negativa. Como a própria energia não pode ser negativa, Dirac ponderou que talvez as duas respostas representavam duas possíveis cargas elétricas da partícula. A ideia de cargas opostas em pares de matéria-antimatéria nasceu.
Enquanto isso, a cerca de seis minutos de distância do escritório de Dirac em Cambridge, o físico Patrick Blackett foi estudar os padrões gravados por raios cósmicos na Câmara de Wilson. Em 1933, ele detectou 14 faixas que mostravam uma única partícula de luz colidindo com uma molécula de ar e explodindo em duas novas partículas. As pistas espirais destas novas partículas eram imagens espelhadas umas da outras, indicando que elas tinham carga oposta. Esta foi uma das primeiras observações que Dirac havia previsto cinco anos antes, o nascimento de um par elétron-pósitron.
Hoje é sabido que a matéria e a antimatéria são as Supergêmeas finais. Elas espontaneamente nasceram a partir da energia crua como uma equipe de duas e desapareceram em um silencioso poof de energia quando eles se fundiram e se aniquilaram. Este ato de aparecer-desaparecer gerou um dos mistérios mais fundamentais no universo: o que está gravado nas leis da natureza que nos salvou do caldo de criação e aniquilação das partículas de matéria e antimatéria?
“Sabemos que essa assimetria cósmica deu as condições para estamos aqui hoje”, diz Jessie Shelton, um teórico da Universidade de Illinois. “É um desequilíbrio intrigante o fato da teoria exigir três condições – e todas devem ser reais de uma só vez – para criar essa preferência cósmica para a matéria.”
Nos anos 1960, o físico Andrei Sakharov propôs este conjunto de três condições que poderiam explicar o aparecimento do nosso universo dominado pela matéria. Os cientistas continuam a procurar evidências de estas condições hoje.
1. Rompendo a corda
O primeiro problema é que matéria e antimatéria sempre pareceram ter nascido juntas. Assim como Blackett observou nas câmaras de nuvem, a energia descarregada transforma em pares de matéria-antimatéria equilibrada. A carga é sempre conservada através de qualquer transição. Para que haja um desequilíbrio nas quantidades de matéria e antimatéria, é preciso haver um processo que cria mais do que destrói.
“O primeiro critério de Sakharov essencialmente diz que deve haver algum processo novo que converte a antimatéria em matéria, ou vice-versa”, diz Andrew Long, pesquisador de pós-doutorado em cosmologia na Universidade de Chicago. “Esta é uma das coisas experimentalistas que estamos procurando no laboratório.”
Na década de 1980, os cientistas procuravam provas da primeira condição de Sakharov, procurando por sinais de um próton em decomposição em um pósitron e dois fótons. Eles ainda têm de encontrar evidências dessa alquimia moderna, mas eles continuam a procurar.
“Nós pensamos que o universo primitivo poderia ter contido uma partícula neutra pesada que, por vezes deteriora-se em matéria e, por vezes deteriora-se em antimatéria, mas não necessariamente em ambas ao mesmo tempo”, disse Long.
2. Escolha um favorito
Matéria e antimatéria não podem co-habitar; elas sempre aniquilam-se quando entram em contato. Mas a criação de apenas um pouco mais matéria do que antimatéria após o Big Bang – cerca de uma parte em 10 bilhões – deixaria para trás os ingredientes necessários para construir todo o universo visível.
Como isso poderia acontecer? segundo o critério de Sakharov, o processo de criação de matéria do seu primeiro critério deve ser mais eficiente do que o processo de anti-matéria oposto. E, especificamente, “precisamos ver um favoritismo para certos tipos de matéria que concordam com as observações astronômicas”, diz Shelton.
Observações da luz remanescente do início do universo e as medidas dos primeiros elementos leves produzidos após o Big Bang mostram que a discrepância deve existir em uma classe de partículas chamadas bárions: prótons, antiprótons e outras partículas construídas a partir de quarks.
“Estes são instantâneos do início do Universo”, diz Shelton. “A partir desses instantâneos, podemos derivar a densidade e temperatura do início do Universo e calcular a pequena diferença entre o número de bárions e antibárions.”
Mas essa pequena diferença apresenta um problema. Embora existam algumas pequenas discrepâncias entre o comportamento das partículas e suas correspondentes antipartículas, essas idiossincrasias ainda são consistentes com o modelo padrão e não são suficientes para explicar a origem do desequilíbrio cósmico, nem ternura do universo para a matéria.
3. Tomando uma rua de mão única
Em física de partículas, qualquer processo que corre para a frente pode facilmente executar o sentido inverso. Um par de fótons pode se fundir e se transformar em um par de partículas e antipartículas. E com a mesma facilidade, o par de partículas e antipartículas podem recombinar em um par de fótons. Este processo acontece ao nosso redor, continuamente. Mas como ele é cíclico, não há ganho ou perda para um tipo de matéria.
Se isto fosse sempre verdadeiro, o nosso universo jovem poderia ter sido bloqueado em um loop infinito de criação e destruição. Sem algo freando estes ciclos, pelo menos por um momento, a matéria não poderia ter evoluído para que as estruturas complexas que vemos hoje.
“Para cada ponto que está unido, há um puxão simultâneo no segmento”, diz Long. “Precisamos de uma maneira de forçar a reação de avançar e simultaneamente executar em sentido inverso ao mesmo ritmo.”
Muitos cosmólogos suspeitam que a expansão gradual e o resfriamento do universo foi suficiente para travar a matéria a ser, como um chá doce supersaturado cujos cristais de açúcar caem para o fundo do vidro enquanto esfriam (ou, na interpretação de “congelamento”, como um chá doce que congela instantaneamente, travando os cristais de açúcar sem dar-lhes uma chance para dissolver).
Outros cosmólogos pensam que o plasma do início do universo podem ter contido bolhas que ajudaram a matéria e a antimatéria se separarem (e depois serviu como incubadoras de partículas adquirindo massa).
Vários experimentos no CERN estão procurando evidências para saber se o universo reúne as três condições de Sakharov. Por exemplo, vários experimentos de precisão como a Fábrica de Antimatéria do CERN estão procurando diferenças minúsculas entre as características intrínsecas de prótons e antiprótons. O experimento LHCb no Large Hadron Collider está examinando os padrões de decaimento de partículas instáveis de matéria e antimatéria.
Shelton e Long esperam que as pesquisas a partir dos experimentos no LHC serão a chave para a construção de uma imagem mais completa do nosso universo primordial.
Experimentos do LHC poderia descobrir que o campo de Higgs serviu de bloqueio que parou o universo inicial perpetuamente em evolução e formou a sopa de partículas, especialmente se o campo que continha bolhas que congelaram mais rápido do que outras, oferecendo pratos de petri cósmicos em que matéria e antimatéria poderiam evoluir de forma diferente, diz Long. “Mais medidas do bóson de Higgs e as propriedades fundamentais da matéria e antimatéria vão nos ajudar a desenvolver melhores teorias e uma melhor compreensão do que e de onde viemos.”
O que exatamente aconteceu durante o nascimento do nosso universo pode permanecer sempre em um poço de enigmas, mas continuamos a procurar novas peças deste quebra cabeças formidável.
Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine