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Como a matéria em nosso Universo surgiu do nada?

Em todas as escalas do Universo, desde nossa vizinhança local até o meio interestelar, galáxias individuais, aglomerados, filamentos e a grande teia cósmica, tudo o que observamos parece ser feito de matéria normal e não de antimatéria. Este é um mistério inexplicável. Crédito da imagem: NASA, ESA e Hubble Heritage Team (STScI/AURA).

Se a natureza produz quantidades iguais de matéria e antimatéria, como estamos aqui?

Quando você 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: por que existe algo em vez de nada? O problema fica ainda pior quando você considera as leis da física que governam 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 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 atual (esquerda) e em momentos anteriores (direita). Observe a presença de energia escura, matéria escura e a prevalência de matéria normal sobre antimatéria, que é tão diminuta que não contribui em nenhum dos momentos mostrados. Crédito da imagem: NASA, modificado pelo usuário do Wikimedia Commons 老陳, modificado ainda mais por E. Siegel.

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

1. Cada interação entre partículas que já observamos, em todas as energias, nunca criou ou destruiu 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 todos os lugares, 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. Aqui está como sabemos.

A produção de pares de matéria/antimatéria (à esquerda) a partir de energia pura é uma reação completamente reversível (à direita), com a aniquilação de matéria/antimatéria de volta à energia pura. Esse processo de criação e aniquilação, que obedece a E = mc², é a única maneira conhecida de criar e destruir matéria ou antimatéria. Crédito da imagem: Dmitri Pogosyan / Universidade de Alberta.

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

Seja em aglomerados, galáxias, nossa própria vizinhança estelar ou nosso Sistema Solar, temos limites tremendos e poderosos na fração de antimatéria no Universo. Não pode haver dúvida: tudo no Universo é dominado pela matéria. Crédito da imagem: Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122 .

No meio interestelar de nossa própria galáxia, o tempo de vida médio seria da ordem de 300 anos, o que é pequeno comparado à idade de nossa galáxia! Essa restrição nos diz que, pelo menos na 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! Em escalas maiores – de galáxias e aglomerados de galáxias, por exemplo – as restrições são menos rigorosas, mas ainda muito fortes. Com observações que vão de apenas alguns milhões de anos-luz de distância a mais de três bilhões de anos-luz de distância, observamos uma escassez de raios-X e raios gama que esperávamos da aniquilação de matéria-antimatéria. O que vimos é que, mesmo em grandes escalas cosmológicas, 99,999%+ do que existe em nosso Universo é definitivamente matéria (como nós) e não antimatéria.

Esta é a nebulosa de reflexão IC 2631, fotografada pelo telescópio MPG/ESO de 2,2 m. Seja dentro de nossa própria galáxia ou entre galáxias, simplesmente não há evidências das assinaturas de raios gama que precisariam existir se houvesse bolsões, estrelas ou galáxias significativos feitos de antimatéria. Crédito da imagem: ESO.

Então, de alguma forma, embora não tenhamos certeza de como, tivemos que ter criado mais matéria do que antimatéria no passado do Universo. O que é ainda mais confuso pelo fato de que a simetria entre matéria e antimatéria, em termos de física de partículas, é ainda mais explícita do que você imagina. Por exemplo:

• toda vez que criamos um quark, também criamos um antiquark,
• cada vez que um quark é destruído, um antiquark também é destruído,
• toda vez que criamos ou destruímos um lépton, também criamos ou destruímos um antilépton da mesma família de léptons, e
• cada vez que um quark-ou-lépton experimenta uma interação, colisão ou decaimento, o número total líquido de quarks e léptons no final da reação (quarks menos antiquarks, léptons menos antiléptons) é o mesmo no final que era no final. começo.

A única maneira de produzirmos mais (ou menos) matéria no Universo foi também produzir mais (ou menos) antimatéria em uma quantidade igual.

As partículas e antipartículas do Modelo Padrão obedecem a todo tipo de leis de conservação, mas existem pequenas diferenças entre o comportamento de certos pares de partículas/antipartículas que podem ser indícios da origem da bariogênese. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.

Mas sabemos que deve ser possível; a única questão é como isso aconteceu. No final da década de 1960, o físico Andrei Sakharov identificou três condições necessárias para a bariogênese, ou a criação de mais bárions (prótons e nêutrons) do que antibárions. Eles são os seguintes:

1. O Universo deve ser um sistema fora de equilíbrio.
2. Deve exibir C - e PC -violação.
3. Deve haver interações que violem o número bariônico.

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

Um méson normal gira no sentido anti-horário em torno de seu Pólo Norte e então decai com um elétron sendo emitido ao longo da direção do Pólo Norte. A aplicação da C-simetria substitui as partículas por antipartículas, o que significa que deveríamos ter um anti-tempo girando no sentido anti-horário em torno de seu decaimento do Pólo Norte emitindo um pósitron na direção Norte. Da mesma forma, a P-simetria inverte o que vemos em um espelho. Se partículas e antipartículas não se comportam exatamente da mesma forma sob as simetrias C, P ou CP, essa simetria é considerada violada. Até agora, apenas a interação fraca viola qualquer um dos três. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.

Isso deixa a questão de como violar o número bariônico. No Modelo Padrão da física de partículas, apesar da conservação observada do número bariônico, não há uma lei de conservação explícita para esse número ou para o número lépton (onde um lépton é uma partícula como um elétron ou um neutrino). Em vez disso, é apenas a diferença entre bárions e léptons, B. — eu , que é conservado. Então, sob as circunstâncias certas, você pode não apenas produzir prótons extras, mas também os elétrons necessários para acompanhá-los.

Quais são essas circunstâncias ainda é um mistério, no entanto. Nos estágios iniciais do Universo, esperamos que existam quantidades iguais de matéria e antimatéria, com velocidades e energias muito altas.

Nas altas temperaturas alcançadas no Universo muito jovem, não apenas partículas e fótons podem ser criados espontaneamente, com energia suficiente, mas também antipartículas e partículas instáveis, resultando em uma sopa primordial de partículas e antipartículas. Crédito da imagem: Laboratório Nacional de Brookhaven.

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

• A nova física na escala eletrofraca pode aumentar muito a quantidade de C - e PC -violação no Universo, levando a uma assimetria entre matéria e antimatéria. Interações Sphaleron, que violam B. e eu individualmente (mas conserve B. — eu ) pode então gerar as quantidades certas de bárions e léptons. Isso pode ocorrer ou sem supersimetria ou com supersimetria , dependendo do mecanismo.
• Nova física de neutrinos em altas energias, de que temos uma tremenda dica , poderia criar uma assimetria lépton fundamental desde o início: leptogênese . Os sphalerons, que conservam B. — eu , então usaria essa assimetria de lépton para gerar uma assimetria de bariônica.
• Ou Bariogênese em escala GUT , onde novas físicas (e novas partículas) são encontradas na grande escala de unificação, onde a força eletrofraca se unifica com a força forte .

Todos esses cenários têm alguns elementos em comum, então vamos passar pelo último, apenas como exemplo, para ver o que poderia ter acontecido.

Além das outras partículas no Universo, se a ideia de uma Grande Teoria Unificada se aplicar ao nosso Universo, haverá bósons superpesados ​​adicionais, partículas X e Y, juntamente com suas antipartículas, mostradas com suas cargas apropriadas em meio ao calor. mar de outras partículas no Universo primitivo. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.

Se a grande unificação for verdadeira, então deve haver novas partículas superpesadas, chamadas X e E , que têm propriedades semelhantes a bárions e semelhantes a léptons. Também deveria haver suas contrapartes de antimatéria: anti- X e anti- E , com o contrário B. — eu números e as cargas opostas, mas a mesma massa e tempo de vida. Esses pares partícula-antipartícula podem ser criados em grande abundância em energias altas o suficiente e então decairão em momentos posteriores.

Assim, seu Universo pode ser preenchido com eles, e então eles decairão. Se você tem C - e PC -violação, no entanto, é possível que existam pequenas diferenças entre a forma como as partículas e as antipartículas ( X / E vs. anti- X /anti- E ) decair.

Se permitirmos que as partículas X e Y decaiam nas combinações de quarks e léptons mostradas, suas contrapartes antipartículas decairão nas respectivas combinações de antipartículas. Mas se o CP for violado, as vias de decaimento – ou a porcentagem de partículas decaindo de uma maneira versus outra – podem ser diferentes para as partículas X e Y em comparação com as partículas anti-X e anti-Y, resultando em uma produção líquida de bárions sobre antibárions e léptons sobre antiléptons. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.

Se seu X -partícula tem dois caminhos: decaindo em dois quarks up ou um anti-quark down e um pósitron, então o anti- X tem que ter dois caminhos correspondentes: dois quarks anti-up ou um quark down e um elétron. Observe que o X tem B. — eu de dois terços em ambos os casos, enquanto o anti- X tem dois terços negativos. É semelhante para o E /anti- E partículas. Mas há uma diferença importante que é permitida com C - e PC -violação: o X poderia ser mais provável decair em dois quarks up do que o anti- X é decair em dois quarks anti-up, enquanto o anti- X poderia ser mais provável de decair em um quark down e um elétron do que o X é decair em um quark anti-down e um pósitron.

Se você tem o suficiente X /anti- X e E /anti- E pares, e eles decaem dessa maneira permitida, você pode facilmente fazer um excesso de bárions sobre antibárions (e léptons sobre anti-léptons) onde não havia nenhum anteriormente.

Se as partículas decaíssem de acordo com o mecanismo descrito acima, ficaríamos com um excesso de quarks sobre antiquarks (e léptons sobre antiléptons) depois que todas as partículas instáveis ​​e superpesadas decaíssem. Após o excesso de pares partícula-antipartícula serem aniquilados (combinados com linhas vermelhas pontilhadas), ficaríamos com um excesso de quarks up-and-down, que compõem prótons e nêutrons em combinações de up-up-down e up-down. –down, respectivamente, e elétrons, que corresponderão ao número de prótons. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.

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

O fato de existirmos e sermos feitos de matéria é indiscutível; a questão de por que nosso Universo contém algo (matéria) em vez de nada (de uma mistura igual de matéria e antimatéria) é uma que deve ter uma resposta. Neste século, avanços em testes eletrofracos de precisão, tecnologia de colisores e experimentos investigando a física de partículas além do Modelo Padrão podem revelar exatamente como isso aconteceu. E quando isso acontecer, um dos maiores mistérios de toda a existência finalmente terá uma solução.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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