Uma equipe de físicos no Japão demonstrou que estruturas nodais podem surgir naturalmente em um modelo realista de física de partículas que também aborda vários grandes mistérios, incluindo as origens das massas dos neutrinos, a matéria escura e o problema forte de CP. Seu estudo, publicado na Physical Review Letters, sugere que esses “nós cósmicos” podem ter se formado no violento universo primitivo, assumido brevemente como uma forma dominante de energia e, em seguida, colapsado de uma maneira que favoreceu ligeiramente a matéria sobre a antimatéria. Quando se formaram e se desintegraram, esses nós teriam agitado o próprio espaço-tempo, produzindo um padrão distintivo de ondas gravitacionais que detectores futuros podem ser capazes de captar, algo raro para um problema que geralmente 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 antimatéria”, disse Muneto Nitta, autor correspondente do estudo e professor (com nomeação especial) no Instituto Internacional de Sustentabilidade com Materiais Metálicos Quimicamente Nodal (WPI-SKCM2) da Universidade de Hiroshima, no Japão.

“Essa questão é importante porque toca diretamente em por que estrelas, galáxias e nós mesmos existimos.”

O desequilíbrio entre matéria e antimatéria

De acordo com a teoria do Big Bang, o universo deveria ter começado com quantidades iguais de matéria e antimatéria. Cada partícula de matéria tem um parceiro de antimatéria com a mesma massa, mas carga oposta, e quando se encontram, se aniquilam em pura energia. Se tudo tivesse se equilibrado perfeitamente, toda a matéria e a antimatéria teriam se destruído mutuamente, deixando apenas radiação.

Em vez disso, quase tudo que observamos hoje é feito de matéria, com quase nenhuma antimatéria 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 adicional de matéria 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 pode explicar esse pequeno, mas crucial, assimetria. Suas previsões para o excesso de matéria ficam aquém por várias ordens de magnitude. Compreender como esse pequeno excedente de matéria surgiu, um processo conhecido como bariogênese, continua sendo um dos problemas centrais não resolvidos da 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 nodais e quiralidades 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.

Ao combinar uma simetria de Baryon Number Minus Lepton Number (B-L) com a simetria de Peccei-Quinn (PQ), a equipe descobriu que configurações nodais estáveis poderiam se formar naturalmente no universo primitivo e posteriormente produzir o excedente de matéria observado.

Eto é também professor na Universidade de Yamagata, e todos os três cientistas estão afiliados à Universidade Keio no Japão.

Neutrinos fantasmagóricos, axions 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 minúsculo momento dipolar elétrico que a teoria prevê para o nêutron. Ao resolver esse enigma, a simetria PQ introduz o axion, uma partícula hipotética que é uma das principais candidatas para a matéria escura. Ao mesmo tempo, a simetria de B-L fornece uma explicação natural para por que os neutrinos têm massa, mesmo que interajam com tanta fraqueza com a matéria que podem passar por planetas inteiros sem deixar vestígios.

Neste modelo, a simetria PQ é mantida como uma simetria global em vez de ser “medida”, o que protege a delicada física dos axions necessária para resolver o problema forte de CP. Em física, “medir” uma simetria significa permitir que ela atue de forma independente em cada ponto do espaço-tempo. Esse tipo de liberdade vem com um custo, pois a teoria então requer uma nova partícula mediadora para manter as equações consistentes. Ao medir a simetria de B-L em vez disso, os pesquisadores garantiram a existência de neutrinos pesados à direita, que são necessários para cancelar anomalias na teoria e desempenham um papel crucial em muitos cenários de bariogênese. A medição de 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 jovem universo

À medida que o universo se expandia e esfriava após o Big Bang, provavelmente passou por uma série de transições de fase nas quais suas simetrias foram quebradas em etapas. Esse processo, que pode ser comparado ao congelamento da água em gelo de forma irregular, pode ter deixado para trás defeitos finos e filamentares 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 ser mais fino que um próton, apenas um centímetro de tal fio poderia pesar tanto quanto uma montanha.

À medida que o universo crescia, uma rede desses fios teria se estendido, torcido e embaraçado, preservando informações sobre as condições que existiam nos momentos mais iniciais.

A quebra da simetria de B-L produziu fios que se comportam como tubos de fluxo magnético, enquanto a simetria de PQ criou vórtices superfluidos que não carregam 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 de Chern-Simons do vórtice superfluído PQ se conectar. Por sua vez, esse acoplamento permite que o vórtice superfluído PQ bombeie carga elétrica para dentro do tubo de fluxo B-L e se oponha à tensão que normalmente faria o laço encolher e se romper. O resultado é um estado de longa duração, conhecido como soliton nodal.

“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 perdeu energia gradualmente à medida que seus comprimentos de onda se esticavam com o espaço-tempo. Os nós, no entanto, se comportaram mais como matéria comum, de modo que sua densidade de energia diminuiu muito mais lentamente. Como resultado, eventualmente, eles passaram a dominar sobre a radiação, criando um período na história cósmica em que a energia armazenada em nós controlava a evolução do universo.

Essa fase não durou para sempre. Os nós acabaram se desintegrando através de tunelamento quântico, um processo em que partículas cruzam barreiras de energia que seriam intransponíveis na física clássica, como se estivessem passando por uma parede. Quando os nós colapsaram, produziram neutrinos pesados à direita como uma consequência direta da simetria de B-L incorporada em sua estrutura. Essas partículas muito massivas e elusivas então se desintegraram em partículas mais leves e estáveis com uma ligeira preferência por matéria em relação à antimatéria. Essa pequena preferência eventualmente levou ao universo preenchido por matéria que observamos hoje.

“Basicamente, esse colapso produz muitas partículas, incluindo neutrinos à direita, bosons escalares e o boson mediador, como um chuveiro”, explica Hamada, coautor do estudo. “Entre elas, os neutrinos à direita são especiais porque sua desintegração pode gerar naturalmente o desequilíbrio entre matéria e antimatéria. Esses neutrinos pesados se desintegram em partículas mais leves, como elétrons e fótons, criando uma cascata secundária que reaquece o universo.”

“Nesse sentido,” acrescentou ele, “eles são os pais de toda a matéria no universo hoje, incluindo nossos próprios corpos, enquanto os nós podem ser vistos como nossos avôs.”

Ligando a física dos nós ao universo de hoje

Para testar sua ideia, os pesquisadores seguiram as consequências matemáticas de seu modelo em detalhes, incluindo quão eficientemente os nós produzem neutrinos à direita, quão pesados esses neutrinos são e quão quente o universo se torna quando eles se desintegram. A partir desse cálculo, o desequilíbrio entre matéria e antimatéria observado hoje surge naturalmente.

Rearranjando as equações e assumindo uma massa realista de 10¹² gigaeletrónvolts (GeV) para os neutrinos pesados à direita, 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 que o universo teve de gerar matéria a partir de um desequilíbrio de neutrinos. Abaixo dessa temperatura, os processos eletrofracos que convertem uma assimetria de neutrinos em um excedente de matéria efetivamente se encerram.

O reaquecimento a 100 GeV também afetaria o 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, o Cosmic Explorer nos Estados Unidos e o Deci-hertz Interferometer Gravitational-wave Observatory (DECIGO) no Japão, poderão um dia detectar essa sutil mudança no sinal gravitacional cósmico.

“Fios cósmicos são uma espécie de soliton topológico, objetos definidos por quantidades que permanecem as mesmas, não importa o quanto você torça ou estique”, disse Eto. “Essa propriedade não só garante sua estabilidade, como também significa que nosso resultado não está atrelado aos detalhes do modelo. Mesmo que o trabalho ainda seja teórico, a topologia subjacente não muda, então vemos isso como um passo importante em direção a desenvolvimentos futuros.”

Da visão de Kelvin a um modelo realista de nós

Lord Kelvin originalmente sugeriu que os nós poderiam ser os constituintes básicos da matéria. Essa ideia inicial se mostrou incorreta, mas o novo trabalho traz de volta o espírito de sua proposta de uma maneira mais sofisticada. Os pesquisadores argumentam que seus resultados “fornecem, pela primeira vez, um modelo realista de física de partículas em que os nós podem desempenhar um papel crucial na origem da matéria.”

“O próximo passo é aprimorar modelos teóricos e simulações para prever melhor a formação e a desintegração 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, serão capazes de testar se o universo realmente passou por uma era dominada por nós.”

Em última análise, a equipe espera determinar se estruturas semelhantes a nós foram realmente essenciais na criação da matéria no universo. Se sim, elas poderão ajudar a compor uma história mais completa e fisicamente testável de como o cosmos começou.