A simetria quebrada pode quebrar o modelo padrão da cosmologia
O problema do horizonte eletrofraco assombra o modelo padrão da cosmologia e nos convida a perguntar o quão profundo é necessário repensar o modelo.
- Existem quatro forças em ação no Universo — gravidade, eletromagnetismo, a força nuclear forte e a força nuclear fraca.
- No Big Bang, havia apenas uma força. As forças se separaram quando o Universo esfriou.
- Nossa incapacidade de encontrar qualquer evidência que apoie a divisão da força eletrofraca (em eletromagnetismo e força fraca) sugere que algo está faltando. É outro sinal de que o modelo padrão da cosmologia pode precisar ser repensado.
Este artigo é o quinto de uma série que explora as contradições no modelo padrão da cosmologia.
O Universo é como um copo de água no congelador.
Não, isso não é um zen koan . É uma metáfora enraizada na física fundamental de como a evolução cósmica, a partir do primeiro instante após o Big Bang, deve prosseguir. Ao passar do início ultraquente, ultradenso e ultrasuave que foi o Big Bang para seu atual estado frio e irregular, o cosmos teve que passar por uma série de transições de fase , cada um semelhante à água solidificando-se em gelo. E como as moléculas de água se encaixando como cristais de gelo, cada transição de fase cósmica teve consequências para a estrutura do Universo. Essas consequências, ao que parece, podem ser um grande problema que nossos melhores modelos cosmológicos não resolveram.
Bem-vindo a mais uma parcela em nossa série explorando emergente e potencialmente grave desafios para o modelo padrão de cosmologia - a melhor e mais ampla compreensão científica da humanidade sobre o Universo. Em um artigo recente, o astrofísico Fulvio Melia articulado uma lista de problemas que para ele indicam que algo fundamental está errado com o modelo padrão. Melia não está sozinha em se perguntar se o tempo do modelo padrão pode ter acabado. Hoje vamos dar uma olhada em outra na lista de zonas de falhas cosmológicas de Melia: o horizonte eletrofraco .
festa de quatro
Os físicos sabem que 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, existem apenas quatro forças em ação no Universo: gravidade, eletromagnetismo, o força nuclear forte , e a força nuclear fraca. Essas quatro forças são a única maneira pela qual as coisas podem empurrar ou puxar umas às outras. Cada força tem suas próprias características, como até onde seus efeitos podem ser sentidos, e cada uma tem sua própria força em relação às outras forças.
Embora o Universo tenha quatro forças agora, a maioria dos físicos acredita que logo após o Big Bang, quando a temperatura e a densidade de energia do cosmos eram muito maiores, havia apenas uma única força. Somente quando o Universo se expandiu e esfriou, essa força se separou nas quatro forças que conhecemos hoje. Os físicos acham que essas forças congelaram sequencialmente a partir da força inicialmente unificada quando a temperatura caiu. A gravidade congelou primeiro, deixando as outras forças misturadas em um grande campo unificado . (Todas as forças e todas as partículas estão associadas a campos quânticos.) A força nuclear forte congelou em seguida, deixando o eletromagnetismo combinado com a força fraca no imaginativamente chamado força eletrofraca . Finalmente, por volta das 10 -onze de um segundo após o Big Bang, a força eletrofraca também se separou.
Embora ainda não tenhamos detalhes básicos sobre a gravidade e os congelamentos de força forte, a teoria da transição de fase eletrofraca foi lindamente mapeada. É onde o importantíssimo bóson de Higgs aparece. O Descoberta de partículas de Higgs no Grande Colisor de Hádrons em 2012 foi um triunfo e uma validação. Ele mostrou que entendemos como o Universo dividiu a única força eletrofraca nos dois componentes de menor energia que vemos hoje.
Então, onde está o problema para a cosmologia?
Quebrando a simetria da cosmologia
Quando ocorre uma transição de fase, como a solidificação da água em gelo, é necessário o que se chama quebra de simetria . Quando a temperatura está acima do ponto de congelamento, todas as moléculas de água estão saltando de maneiras que deixam qualquer região com a mesma aparência de qualquer outra. Em todo o seu espaço, o líquido é o que chamamos de simétrico.
Uma vez que a temperatura cai abaixo de zero, cristais de gelo se formam aqui e ali – dizemos que eles nucleam – e então começam a crescer e se espalhar. A orientação desses cristais é diferente de um local de nucleação para o próximo. A simetria espacial é quebrada. Isso significa que você obtém regiões onde o alinhamento do cristal é orientado em uma direção e outras regiões onde eles orientam em outra direção. À medida que as regiões se espalham e se encontram, as descontinuidades marcam a estrutura cristalina à medida que o gelo compensa as diferentes orientações.
O mesmo vale para a transição eletrofraca. O campo eletrofraco é simétrico quando a temperatura cósmica é alta. À medida que os campos eletromagnéticos e fracos separados tomam forma, essa simetria é quebrada. Assim como a transição da água para o gelo, quando a temperatura cósmica caiu o suficiente para permitir que a transição de fase ocorresse, diferentes regiões do espaço deveriam ter quebrado a simetria com diferentes orientações. À medida que as diferentes regiões crescem, elas devem eventualmente colidir, deixando marcas observáveis no Universo semelhantes às interseções desses domínios de cristais de gelo. Uma versão dessas impressões é chamada cordas cósmicas (estes não estão relacionados à teoria das cordas), e os cosmólogos anseiam por confirmá-los há muito tempo. Infelizmente, eles não encontraram nem cordas cósmicas nem qualquer outra evidência para as diferentes regiões de quebra de simetria eletrofraca.
molho eletrofraco
De acordo com o artigo de Melia, o Universo em expansão sempre tem um horizonte de Hubble que determina o tamanho dos domínios conectados causalmente. Melia argumenta que o tamanho desse horizonte no momento da quebra de simetria deve deixar diferentes domínios no Universo atual — domínios que serão bem pequenos. Além dos limites do domínio, os efeitos dessas diferentes regiões devem ser muito perceptíveis em propriedades como a massa de partículas fundamentais. Tanto quanto podemos dizer, no entanto, a física associada ao eletromagnetismo e à força fraca parece exatamente a mesma, em todo o Universo.
Uma saída seria usar o mesmo truque que funcionou com inflação e a uniformidade do radiação cósmica de fundo em micro-ondas (os fótons fósseis que sobraram 300.000 anos após o Big Bang). O CMBR é tão suave de um extremo ao outro do cosmos que os cosmólogos deduziram uma breve fase de hiperexpansão muito cedo no Universo. Isso permitiu que uma pequena região do Universo que era, de certo modo, o mesmo domínio, se inflasse em tudo o que vemos hoje. Da mesma forma, pode haver um tipo de inflação que torna todo o Universo um único domínio da quebra de simetria eletrofraca? A resposta parece ser um enfático não.
Esse duro não, junto com a falta de qualquer evidência para diferentes domínios, é o motivo pelo qual Melia inclui o horizonte eletrofraco em sua lista de crises da cosmologia. É um problema, ele escreve, que é conhecido há muito tempo, mas que simplesmente não tem recebido o tipo de atenção que o CMBR atraiu. Esse problema merece esse tipo de atenção? Bem, é definitivamente verdade que ninguém encontrou nenhuma corda cósmica. Portanto, o problema do horizonte eletrofraco pode ser algo que precisamos examinar enquanto a cosmologia tenta entender o quão profundo é o repensar que o modelo padrão pode exigir.
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