• Começa com um estrondo

Os 5 maiores quebra-cabeças da física fundamental

Das menores escalas subatômicas às maiores cósmicas, resolver qualquer um desses quebra-cabeças pode desbloquear nossa compreensão do Universo.

Principais conclusões

• Com o Modelo Padrão e a Relatividade Geral combinados, alcançamos uma tremenda compreensão do mundo e do Universo ao nosso redor.
• Apesar de tudo o que sabemos sobre partículas fundamentais, suas propriedades e interações, e como elas se desdobram no Universo para criar a história cósmica da qual fazemos parte, muitos mistérios ainda permanecem.
• Aqui estão cinco grandes quebra-cabeças não resolvidos sobre o Universo e como entender qualquer um deles pode ser um avanço espetacular que revoluciona nossa imagem da existência.

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A humanidade finalmente entende o Universo?

A formação da estrutura cósmica, tanto em grande quanto em pequena escala, é altamente dependente de como a matéria escura e a matéria normal interagem. Apesar da evidência indireta da matéria escura, adoraríamos poder detectá-la diretamente, o que só pode acontecer se houver uma seção transversal diferente de zero entre a matéria normal e a matéria escura. Não há evidências disso, nem de uma abundância relativa variável entre matéria escura e normal.

Identificamos as partículas, forças e interações que sustentam a realidade.

À direita, estão ilustrados os bósons de calibre, que medeiam as três forças quânticas fundamentais do nosso Universo. Há apenas um fóton para mediar a força eletromagnética, existem três bósons mediando a força fraca e oito mediando a força forte. Isso sugere que o Modelo Padrão é uma combinação de três grupos: U(1), SU(2) e SU(3).

Nossa história cósmica - passado, presente e futuro - foi finalmente determinado .

Concepção artística em escala logarítmica do universo observável. O Sistema Solar dá lugar à Via Láctea, que dá lugar a galáxias próximas que depois dão lugar à estrutura em grande escala e ao plasma quente e denso do Big Bang nos arredores. Cada linha de visão que podemos observar contém todas essas épocas, mas a busca pelo objeto observado mais distante não estará completa até mapearmos todo o Universo.

No entanto, vários quebra-cabeças permanecem, incluindo esses cinco.

Em um futuro distante, é concebível que toda a matéria e energia atualmente contidas em nosso Universo em expansão acabem em um único local devido a uma reversão da expansão. Se isso ocorrer, o destino do nosso Universo é terminar em um Big Crunch: o oposto do Big Bang. Isso, felizmente ou infelizmente, dependendo de sua perspectiva, não é apoiado por nenhuma das evidências que possuímos.

1.) Como o Universo começou?

A partir de um estado pré-existente, a inflação prevê que uma série de universos será gerada à medida que a inflação continuar, com cada um sendo completamente desconectado de todos os outros, separados por um espaço mais inflado. Uma dessas “bolhas”, onde a inflação acabou, deu origem ao nosso Universo há cerca de 13,8 bilhões de anos, onde todo o nosso Universo visível é apenas uma pequena porção do volume dessa bolha. Cada bolha individual é desconectada de todas as outras, e cada lugar onde a inflação termina dá origem ao seu próprio Big Bang quente.

Inflação cósmica configurou e precedeu o quente Big Bang .

Toda a nossa história cósmica é teoricamente bem compreendida, mas apenas qualitativamente. É confirmando e revelando observacionalmente vários estágios no passado do nosso Universo que devem ter ocorrido, como quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram e como o Universo se expandiu ao longo do tempo, que podemos realmente entender nosso cosmos. As assinaturas de relíquias impressas em nosso Universo de um estado inflacionário antes do Big Bang quente nos dão uma maneira única de testar nossa história cósmica, mas mesmo essa estrutura tem limitações fundamentais.

o apoiando a evidência observacional , porém, deixa muito indeterminado .

As oscilações do CMB são baseadas em oscilações primordiais produzidas pela inflação. Em particular, a “parte plana” em grandes escalas (à esquerda) não tem explicação sem inflação. A linha plana representa as sementes das quais o padrão de pico e vale emergirá ao longo dos primeiros 380.000 anos do Universo, e é apenas alguns por cento mais baixo no lado direito (pequena escala) do que no lado esquerdo (grande escala) lado.

Que “tipo” de inflação ocorreu? O que precedeu e/ou causou a inflação?

As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação se estendem por todo o Universo e quando a inflação termina, elas se tornam flutuações de densidade. Isso leva, ao longo do tempo, à estrutura em grande escala do Universo hoje, bem como às flutuações de temperatura observadas na CMB. Novas previsões como essas são essenciais para demonstrar a validade de um mecanismo de ajuste fino proposto e para testar (e potencialmente descartar) alternativas.

Fornecendo respostas requer dados novos e sem precedentes .

A contribuição das ondas gravitacionais remanescentes da inflação para a polarização em modo B do fundo de Microondas Cósmicas tem uma forma conhecida, mas sua amplitude depende do modelo específico de inflação. Esses modos B das ondas gravitacionais da inflação ainda não foram observados, mas detectá-los nos ajudaria tremendamente a identificar precisamente que tipo de inflação ocorreu.

2.) O que explica a massa de neutrinos?

Este diagrama exibe a estrutura do modelo padrão (de uma forma que exibe os relacionamentos e padrões principais de forma mais completa e menos enganosa do que na imagem mais familiar baseada em um quadrado de partículas 4×4). Em particular, este diagrama descreve todas as partículas no Modelo Padrão (incluindo seus nomes de letras, massas, spins, lateralidade, cargas e interações com os bósons de calibre: ou seja, com as forças forte e eletrofraca). Ele também descreve o papel do bóson de Higgs e a estrutura da quebra de simetria eletrofraca, indicando como o valor esperado do vácuo de Higgs quebra a simetria eletrofraca e como as propriedades das partículas restantes mudam como consequência. As massas de neutrinos permanecem inexplicadas.

Os neutrinos eram originalmente sem massa dentro do modelo padrão .

O neutrino é uma partícula intrigante e interessante. Este infográfico apresenta algumas das estatísticas básicas do neutrino ao lado de curiosidades.

As observações indicam massas diferentes de zero: neutrinos oscilam enquanto interage com a matéria.

Probabilidades de oscilação de vácuo para neutrinos de elétron (preto), múon (azul) e tau (vermelho) para um conjunto escolhido de parâmetros de mistura. Uma medição precisa das probabilidades de mistura em linhas de base de diferentes comprimentos pode nos ajudar a entender a física por trás das oscilações de neutrinos e pode revelar a existência de outros tipos de partículas que se acoplam às três espécies conhecidas de neutrinos.

Os neutrinos são partículas de Dirac ou Majorana? Existem espécies de neutrinos pesados ​​e estéreis?

Um evento de neutrinos, identificável pelos anéis de radiação de Cerenkov que aparecem ao longo dos tubos fotomultiplicadores que revestem as paredes do detector, mostra a metodologia bem-sucedida da astronomia de neutrinos e aproveitando o uso da radiação de Cherenkov. Esta imagem mostra vários eventos e faz parte do conjunto de experimentos que abre caminho para uma maior compreensão dos neutrinos.

Sua natureza poderia quebrar o Modelo Padrão.

Esta ilustração em corte mostra o caminho dos neutrinos no Deep Underground Neutrino Experiment. Um feixe de prótons é produzido no complexo acelerador do Fermilab (melhorado pelo projeto PIP-II). O feixe atinge um alvo, produzindo um feixe de neutrinos que viaja através de um detector de partículas no Fermilab, depois por 800 milhas (1.300 km) de terra e, finalmente, atinge os detectores distantes no Sanford Underground Research Facility.

3.) Por que nosso Universo é dominado pela matéria?

O aglomerado de galáxias em colisão “El Gordo”, o maior conhecido no Universo observável, mostrando a mesma evidência de matéria escura e matéria normal que outros aglomerados em colisão. Praticamente não há espaço para antimatéria nesta ou na interface de quaisquer galáxias ou aglomerados de galáxias conhecidos, restringindo severamente sua possível presença em nosso Universo.

Mais matéria do que antimatéria permeia o Universo.

Através do exame de aglomerados de galáxias em colisão, podemos restringir a presença de antimatéria das emissões nas interfaces entre eles. Em todos os casos, há menos de 1 parte em 100.000 de antimatéria nessas galáxias, consistente com sua criação a partir de buracos negros supermassivos e outras fontes de alta energia. Não há evidências de antimatéria cosmicamente abundante.

No entanto, física conhecida não pode explicar a assimetria matéria-antimatéria observada.

O Big Bang produz matéria, antimatéria e radiação, com um pouco mais de matéria sendo criada em algum momento, levando ao nosso Universo hoje. Como essa assimetria surgiu, ou surgiu de onde não havia assimetria para começar, ainda é uma questão em aberto, mas podemos ter certeza de que o excesso de quarks up-and-down sobre seus equivalentes de antimatéria é o que permitiu a formação de prótons e nêutrons. no início do Universo em primeiro lugar.

Violações fundamentais de simetria – e experimentos com LHCb – poderiam explicar a bariogênese.

A paridade, ou simetria-espelho, é uma das três simetrias fundamentais no Universo, juntamente com a simetria de reversão de tempo e conjugação de carga. Se as partículas giram em uma direção e decaem ao longo de um eixo específico, lançá-las no espelho deve significar que elas podem girar na direção oposta e decair ao longo do mesmo eixo. Observou-se que este não é o caso dos decaimentos fracos, que são as únicas interações conhecidas por violar a simetria de conjugação de carga (C), a simetria de paridade (P) e a combinação (CP) dessas duas simetrias também.

4.) O que é matéria escura?

Uma galáxia espiral como a Via Láctea gira como mostrado à direita, não à esquerda, indicando a presença de matéria escura. Não apenas todas as galáxias, mas aglomerados de galáxias e até mesmo a teia cósmica em grande escala, exigem que a matéria escura seja fria e gravitacional desde os primeiros tempos do Universo.

Isto aglomera e gravita , mas passa pelos átomos e luz.

Os mapas de raios-X (rosa) e de matéria geral (azul) de vários aglomerados de galáxias em colisão mostram uma clara separação entre a matéria normal e os efeitos gravitacionais, algumas das evidências mais fortes da matéria escura. Os raios-X vêm em duas variedades, suaves (de baixa energia) e duros (de alta energia), onde as colisões de galáxias podem criar temperaturas superiores a várias centenas de milhares de graus.

Sua evidência indireta é esmagadora; pesquisas diretas continuam infrutíferas .

Hall B de LNGS com instalações XENON, com o detector instalado dentro do grande escudo de água. Se houver alguma seção transversal diferente de zero entre a matéria escura e a matéria normal, não apenas um experimento como esse terá a chance de detectar a matéria escura diretamente, mas há uma chance de que a matéria escura acabe interagindo com seu corpo humano.

Seus efeitos são compreendidos, não sua causa subjacente.

As estruturas de matéria escura que se formam no Universo (esquerda) e as estruturas galácticas visíveis que resultam (direita) são mostradas de cima para baixo em um Universo de matéria escura frio, quente e quente. Das observações que temos, pelo menos 98%+ da matéria escura deve ser fria ou quente; quente é descartado. Observações de muitos aspectos diferentes do Universo em uma variedade de escalas diferentes apontam, indiretamente, para a existência de matéria escura.

5.) O que é energia escura?

Os destinos esperados do Universo (três ilustrações principais) correspondem a um Universo onde a matéria e a energia combinadas lutam contra a taxa de expansão inicial. Em nosso Universo observado, uma aceleração cósmica é causada por algum tipo de energia escura, que até agora é inexplicável. Se sua taxa de expansão continuar caindo, como nos três primeiros cenários, você poderá eventualmente alcançar qualquer coisa. Mas se o seu universo contém energia escura, esse não é mais o caso.

o A expansão do universo está acelerando .

Enquanto a matéria (tanto normal quanto escura) e a radiação se tornam menos densas à medida que o Universo se expande devido ao seu volume crescente, a energia escura, e também a energia do campo durante a inflação, é uma forma de energia inerente ao próprio espaço. À medida que um novo espaço é criado no Universo em expansão, a densidade de energia escura permanece constante. Observe que os quanta individuais de radiação não são destruídos, mas simplesmente diluídos e desviados para o vermelho para energias progressivamente mais baixas, estendendo-se para comprimentos de onda mais longos e energias mais baixas à medida que o espaço se expande.

Suas propriedades indicam uma densidade de energia espacial constante e positiva .

Os destinos distantes do Universo oferecem uma série de possibilidades, mas se a energia escura for realmente uma constante, como indicam os dados, ela continuará seguindo a curva vermelha, levando ao cenário de longo prazo frequentemente descrito aqui: da eventual morte por calor do Universo. Se a energia escura evolui com o tempo, um Big Rip ou um Big Crunch ainda são admissíveis.

Avançar, Entendendo o vácuo quântico é mandatório.

Conforme ilustrado aqui, os pares partícula-antipartícula normalmente saem do vácuo quântico como consequência da incerteza de Heisenberg. Na presença de um campo elétrico forte o suficiente, no entanto, esses pares podem ser separados em direções opostas, tornando-os incapazes de reaniquilar e forçando-os a se tornarem reais: às custas da energia do campo elétrico subjacente. Não entendemos por que a energia do ponto zero do espaço tem o valor diferente de zero que tem.

Principalmente Mute Monday conta uma história astronômica em imagens, recursos visuais e não mais de 200 palavras. Fale menos; sorria mais.

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