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Como surgiu a questão no nosso universo do nada?

Em todas as escalas do Universo, da nossa vizinhança local ao meio interestelar ao indivíduo… galáxias a aglomerados a filamentos e à grande teia cósmica, tudo o que observamos parece ser feito de matéria normal e não de antimatéria. Este é um mistério inexplicável.

NASA, ESA, e a equipa Hubble Heritage (STScI/AURA)

Quando se olha para a vastidão do Universo, para os planetas, estrelas, galáxias, e tudo o que existe lá fora, uma pergunta óbvia grita por uma explicação: porque é que existe algo em vez de nada? O problema fica ainda pior quando se considera as leis da física que governam o nosso Universo, que parecem ser completamente simétricas entre matéria e antimatéria. No entanto, quando olhamos para o que está lá fora, descobrimos que todas as estrelas e galáxias que vemos são feitas 100% de matéria, com quase nenhuma antimatéria. Claramente, nós existimos, assim como as estrelas e galáxias que vemos, então algo deve ter criado mais matéria do que antimatéria, tornando possível o Universo que conhecemos. Mas como é que isso aconteceu? É um dos maiores mistérios do Universo, mas que estamos mais perto do que nunca de resolver.

O conteúdo de matéria e energia no Universo no momento presente (esquerda) e em tempos anteriores… (direita). Note a presença de energia escura, matéria escura e a prevalência de matéria normal sobre antimatéria, que é tão pequena que não contribui em nenhum dos momentos mostrados.

NASA, modificado pelo usuário do Wikimedia Commons 老陳, modificado mais adiante por E. Siegel

Considerar estes dois fatos sobre o Universo, e o quão contraditórios eles são:

  1. Todas as interações entre partículas que já observamos, em todas as energias, nunca criaram ou destruíram uma única partícula de matéria sem também criar ou destruir um número igual de partículas de antimatéria.
  2. Quando olhamos para o Universo, para todas as estrelas, galáxias, nuvens de gás, aglomerados, superaglomerados e estruturas de maior escala em toda a parte, tudo parece ser feito de matéria e não de antimatéria.

Parece uma impossibilidade. Por um lado, não há nenhuma maneira conhecida, dadas as partículas e suas interações no Universo, de fazer mais matéria do que antimatéria. Por outro lado, tudo o que vemos é definitivamente feito de matéria e não de antimatéria. Eis como sabemos.

A produção de pares matéria/antimatéria (esquerda) a partir de energia pura é uma reacção… completamente reversível (direita), com a matéria/antimatéria a aniquilar de volta à energia pura. Este processo de criação-e-antimatéria, que obedece a E = mc^2, é a única forma conhecida de criar e destruir matéria ou antimatéria.

Dmitri Pogosyan / Universidade de Alberta

Quando e onde quer que a antimatéria e a matéria se encontrem no Universo, há uma fantástica explosão de energia devido à aniquilação partículo-antipartícula. Na verdade observamos esta aniquilação em alguns locais, mas apenas em torno de fontes hiper-energéticas que produzem matéria e antimatéria em quantidades iguais, como em torno de buracos negros maciços. Quando a antimatéria corre para a matéria no Universo, ela produz raios gama de frequências muito específicas, que podemos então detectar. O meio interestelar e intergaláctico está cheio de matéria, e a completa falta destes raios gama é um forte sinal de que não há grandes quantidades de partículas de antimatéria voando em qualquer lugar, uma vez que essa assinatura matéria/antimatéria apareceria.

Se em aglomerados, galáxias, nossa própria vizinhança estelar ou nosso Sistema Solar, temos tremendos,… poderosos limites na fração de antimatéria no Universo. Não pode haver dúvidas: tudo no Universo é dominado pela matéria.

Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122

No meio interestelar da nossa própria galáxia, a vida média seria da ordem de cerca de 300 anos, o que é minúsculo comparado com a idade da nossa galáxia! Esta restrição diz-nos que, pelo menos dentro da Via Láctea, a quantidade de antimatéria que pode ser misturada com a matéria que observamos é no máximo 1 parte em 1.000.000.000.000.000.000! Em escalas maiores – de galáxias e aglomerados de galáxias, por exemplo – as restrições são menos rigorosas, mas ainda assim muito fortes. Com observações que vão desde apenas alguns milhões de anos-luz de distância até mais de três bilhões de anos-luz de distância, temos observado uma escassez dos raios X e raios gama que esperaríamos da aniquilação da matéria-antimatéria. O que vimos é que mesmo em grandes escalas cosmológicas, 99,999%+ do que existe no nosso Universo é definitivamente matéria (como nós) e não antimatéria.

Esta é a nebulosa de reflexão IC 2631, como imitado pelo telescópio MPG/ESO 2.2-m. Seja dentro da nossa… própria galáxia ou entre galáxias, simplesmente não há evidência das assinaturas de raios gama que precisariam existir se houvesse bolsas significativas, estrelas ou galáxias feitas de antimatéria.

ESO

Então, de alguma forma, embora não estejamos totalmente certos de como, tivemos que ter criado mais matéria do que antimatéria no passado do Universo. O que se torna ainda mais confuso pelo facto de a simetria entre matéria e antimatéria, em termos de física de partículas, ser ainda mais explícita do que se possa pensar. Por exemplo, a simetria entre a matéria e a antimatéria:

  • sempre que criamos um quark, também criamos um antiquark,
  • sempre que um quark é destruído, um antiquark também é destruído,
  • sempre que criamos-ou-destruímos um lepton, também criamos-ou-destruímos um antilepton da mesma família lepton, e
  • sempre que um quark-ou-lepton experimenta uma interação, colisão ou decadência, o número total líquido de quarks e leptões no final da reação (quarks menos antiquarks, leptões menos antileptões) é o mesmo no final que era no início.

A única maneira de termos feito mais (ou menos) matéria no Universo foi também fazer mais (ou menos) antimatéria em igual quantidade.

As partículas e antipartículas do Modelo Standard obedecem a todo o tipo de leis de conservação, mas lá…. são pequenas diferenças entre o comportamento de certos pares de partículas/antipartículas que podem ser indícios da origem da bariogênese.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Mas sabemos que isso deve ser possível; a única questão é como isso aconteceu. No final dos anos 60, o físico Andrei Sakharov identificou três condições necessárias para a bariogênese, ou a criação de mais bariões (prótons e nêutrons) do que anti-barionteses. Elas são as seguintes:

  1. O Universo deve ser um sistema fora de equilíbrio.
  2. Deve exibir C- e CP-violação.
  3. Deve haver interações bariário-número-violação.

A primeira é fácil, porque um Universo em expansão, resfriamento com partículas instáveis (e/ou antipartículas) dentro dele está, por definição, fora de equilíbrio. A segunda também é fácil, pois a simetria “C” (substituindo partículas por antipartículas) e a simetria “CP” (substituindo partículas por antipartículas refletidas no espelho) são ambas violadas nas interações fracas.

Um méson normal gira no sentido anti-horário em torno do seu Pólo Norte e depois decai com um elétron sendo… emitido ao longo da direção do Pólo Norte. A aplicação da simetria C substitui as partículas por antipartículas, o que significa que devemos ter uma rotação de um vez no sentido anti-horário em torno do seu Pólo Norte, emitindo um positron no sentido Norte. Da mesma forma, a simetria P inverte o que vemos em um espelho. Se partículas e antipartículas não se comportam exatamente da mesma forma sob simetrias C, P, ou CP, diz-se que a simetria é violada. Até agora, apenas a fraca interação viola qualquer uma das três.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Isso deixa a questão de como violar o número de bariões. No Modelo Padrão da física de partículas, apesar da conservação observada do número de bariões, não existe uma lei de conservação explícita para isso ou para o número de leptões (onde um leptão é uma partícula como um electrão ou um neutrino). Em vez disso, é apenas a diferença entre bariões e leptões, B – L, que é conservada. Assim, sob as circunstâncias certas, você não só pode fazer protões extras, mas também pode fazer os elétrons que você precisa para ir com eles.

O que essas circunstâncias ainda são um mistério, no entanto. Nas fases iniciais do Universo, esperamos totalmente que existam quantidades iguais de matéria e antimatéria, com velocidades e energias muito altas.

Nas altas temperaturas alcançadas no Universo muito jovem, não só as partículas e os fotões podem ser… espontaneamente criados, com energia suficiente, mas também antipartículas e partículas instáveis, resultando numa sopa primordial de partículas e antipartículas.

Laboratório Nacional Brookhaven

À medida que o Universo se expande e arrefece, as partículas instáveis, uma vez criadas em grande abundância, irão decair. Se as condições certas forem satisfeitas, podem levar a um excesso de matéria sobre a antimatéria, mesmo onde inicialmente não havia nenhuma. Há três possibilidades principais de como esse excesso de matéria sobre antimatéria poderia ter surgido:

  • Nova física na escala de eletroweak poderia aumentar muito a quantidade de C- e CP-violação no Universo, levando a uma assimetria entre matéria e antimatéria. As interacções de Esfaleron, que violam B e L individualmente (mas conservam B – L) podem então gerar as quantidades certas de bariões e leptões. Isto pode ocorrer ou sem super-simetria ou com super-simetria, dependendo do mecanismo.
  • Nova física de neutrinos em altas energias, da qual temos uma tremenda dica, poderia criar uma assimetria fundamental de leptões no início: a leptogênese. Os esfalões, que conservam B – L, usariam então essa assimetria de leptão para gerar uma assimetria de bariões.
  • Bariogénese em escala de GUT, onde novas físicas (e novas partículas) existem na grande escala de unificação, onde a força de electroweak se unifica com a força forte.

Estes cenários têm todos alguns elementos em comum, por isso vamos caminhar através do último, apenas como exemplo, para ver o que poderia ter acontecido.

Além das outras partículas do Universo, se a ideia de uma Grande Teoria Unificada se aplicar… ao nosso Universo, haverá mais bósons super-pesados, partículas X e Y, juntamente com as suas antipartículas, mostradas com as suas cargas apropriadas no meio do mar quente de outras partículas do Universo primitivo.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Se a grande unificação é verdadeira, então deve haver novas partículas super-pesadas, chamadas X e Y, que têm tanto propriedades semelhantes a bariões como a leptões. Também deveria haver suas contrapartidas antimatéria: anti-X e anti-Y, com os números oposto B – L e as cargas opostas, mas com a mesma massa e vida útil. Estes pares partículas-antipartículas podem ser criados em grande abundância com energias altas o suficiente, e então decairão em tempos posteriores.

Então seu Universo pode ser preenchido com eles, e então eles decairão. Se você tiver C- e CP-violação, no entanto, então é possível que haja ligeiras diferenças entre a forma como as partículas e antipartículas (X/Y vs. anti-X/anti-Y) se decompõem.

Se permitirmos que partículas X e Y se decomponham nas combinações de quarks e leptões mostradas, as suas… antipartículas homólogas irão decompor-se nas respectivas combinações de antipartículas. Mas se o CP for violado, as vias de decomposição – ou a percentagem de partículas em decomposição de uma forma contra outra – podem ser diferentes para as partículas X e Y em comparação com as partículas anti-X e anti-Y, resultando numa produção líquida de bariões sobre anti-bariões e de leptões sobre antileptões.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Se a sua partícula X tem dois caminhos: decaindo em dois quarks acima ou um quark anti-down e um positron, então o anti-X tem que ter dois caminhos correspondentes: dois quarks anti-up ou um quark abaixo e um electrão. Note que o X tem B – L de dois terços em ambos os casos, enquanto o anti-X tem dois terços negativos. É semelhante para as partículas Y/anti-Y. Mas há uma diferença importante que é permitida com o C- e CP-violação: o X pode ter mais probabilidade de se decompor em dois quarks acima do que o anti-X é decompor em dois quarks acima, enquanto o anti-X pode ter mais probabilidade de se decompor em um quark abaixo e um elétron do que o X é decompor em um quark abaixo e um positron.

Se você tiver suficientes pares X/anti-X e Y/anti-Y, e eles se decompõem desta forma permitida, você pode facilmente fazer um excesso de bariões sobre anti-bariões (e leptões sobre anti-leptões) onde anteriormente não havia nenhum.

Se as partículas se decompusessem de acordo com o mecanismo descrito acima, ficaríamos com um… excesso de quarks sobre antiquarks (e leptões sobre antileptões) depois de todas as partículas instáveis e super-pesadas se decomporem. Após o excesso de pares partículas-antipartículas aniquiladas (combinadas com linhas vermelhas pontilhadas), ficaríamos com um excesso de quarks up-and-down, que compõem protões e neutrões em combinações de up-up-down e up-down, respectivamente, e elétrons, que corresponderão aos protões em número.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Em outras palavras, você pode começar com um Universo completamente simétrico, um que obedece a todas as leis conhecidas da física e que espontaneamente cria matéria-e-antimatéria apenas em pares iguais e opostos, e termina com um excesso de matéria sobre antimatéria no final. Temos múltiplos caminhos possíveis para o sucesso, mas é muito provável que a natureza só precise de um deles para nos dar o nosso Universo.

O facto de que existimos e somos feitos de matéria é indiscutível; a questão de porque é que o nosso Universo contém algo (matéria) em vez de nada (de uma mistura igual de matéria e antimatéria) é uma questão que deve ter uma resposta. Este século, avanços em testes de eletroweak de precisão, tecnologia de colisão, e experimentos sondando física de partículas além do Modelo Padrão podem revelar exatamente como isso aconteceu. E quando o fizer, um dos maiores mistérios de toda a existência terá finalmente uma solução.

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