Os físicos estão capitalizando em uma conexão direta entre as maiores estruturas cósmicas e os menores objetos conhecidos para usar o universo como um "colisor cosmológico" e investigar novas físicas.

O mapa tridimensional de galáxias em todo o cosmos e as sobras de radiação do Big Bang - chamadas de fundo cósmico de micro-ondas (CMB) - são as maiores estruturas do universo que os astrofísicos observam usando telescópios. Partículas elementares subatômicas, por outro lado, são os menores objetos conhecidos no universo que os físicos de partículas estudam usando aceleradores de partículas.

Uma equipe incluindo Xingang Chen do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), Yi Wang da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) e Zhong-Zhi Xianyu do Centro de Ciências Matemáticas e Aplicações da Universidade de Harvard usaram esses extremos de tamanho para sondar a física fundamental de uma forma inovadora. Eles mostraram como as propriedades das partículas elementares no modelo padrão da física de partículas podem ser inferidas pelo estudo das maiores estruturas cósmicas. Essa conexão é feita por meio de um processo chamado inflação cósmica.

A inflação cósmica é o cenário teórico mais amplamente aceito para explicar o que precedeu o Big Bang. Essa teoria prevê que o tamanho do universo se expandiu a uma taxa extraordinária e acelerada na primeira fração fugaz de segundo após a criação do universo. Foi um evento altamente energético, durante o qual todas as partículas do universo foram criadas e interagiram umas com as outras. Isso é semelhante ao ambiente que os físicos tentam criar em colisões terrestres, com a exceção de que sua energia pode ser 10 bilhões de vezes maior do que a de qualquer colisor que os humanos possam construir.

A inflação foi seguida pelo Big Bang, onde o cosmos continuou a se expandir por mais de 13 bilhões de anos, mas a taxa de expansão desacelerou com o tempo. Estruturas microscópicas criadas nesses eventos energéticos foram estendidas por todo o universo, resultando em regiões que eram ligeiramente mais densas ou menos densas do que as áreas circundantes no universo inicial, de outra forma muito homogêneo. Conforme o universo evoluiu, as regiões mais densas atraíam cada vez mais matéria devido à gravidade. Eventualmente, as estruturas microscópicas iniciais semearam a estrutura em grande escala do nosso universo, e determinou a localização das galáxias em todo o cosmos.

Em colisões baseados no solo, físicos e engenheiros constroem instrumentos para ler os resultados dos eventos de colisão. A questão é então como devemos ler os resultados do colisor cosmológico.

"Vários anos atrás, Yi Wang e eu, Nima Arkani-Hamed e Juan Maldacena, do Instituto de Estudos Avançados, e vários outros grupos, descobriram que os resultados deste colisor cosmológico são codificados nas estatísticas das estruturas microscópicas iniciais. Conforme o tempo passa, eles ficam impressos nas estatísticas da distribuição espacial dos conteúdos do universo, como galáxias e a radiação cósmica de fundo, que observamos hoje, "disse Xingang Chen." Ao estudar as propriedades dessas estatísticas, podemos aprender mais sobre as propriedades das partículas elementares. "

Como em colisões baseados no solo, antes que os cientistas explorem a nova física, é crucial entender o comportamento das partículas fundamentais conhecidas neste colisor cosmológico, conforme descrito pelo Modelo Padrão de física de partículas.

"O número relativo de partículas fundamentais que têm massas diferentes - o que chamamos de espectro de massa - no modelo padrão tem um padrão especial, que pode ser vista como a impressão digital do modelo padrão, "explicou Zhong-Zhi Xiangyu." No entanto, essa impressão digital muda conforme o ambiente muda, e teria parecido muito diferente na época da inflação de como é agora. "

A equipe mostrou como seria o espectro de massa do modelo padrão para diferentes modelos de inflação. Eles também mostraram como esse espectro de massa está impresso na aparência da estrutura em grande escala do nosso universo. Este estudo abre caminho para a descoberta futura de uma nova física.

"As observações em andamento do CMB e da estrutura em grande escala alcançaram uma precisão impressionante, a partir da qual informações valiosas sobre as estruturas microscópicas iniciais podem ser extraídas, "disse Yi Wang." Neste colisor cosmológico, qualquer sinal observacional que se desvie do esperado para as partículas no Modelo Padrão seria então um sinal de nova física. "

A pesquisa atual é apenas um pequeno passo em direção a uma era emocionante em que a cosmologia de precisão mostrará todo o seu poder.

"Se tivermos a sorte de observar essas marcas, não seríamos apenas capazes de estudar física de partículas e princípios fundamentais no universo primordial, mas também compreender melhor a própria inflação cósmica. A respeito disso, ainda há todo um universo de mistérios a serem explorados, "disse Xianyu.

Esta pesquisa é detalhada em artigo publicado na revista. Cartas de revisão física em 29 de junho, 2017, e a pré-impressão está disponível online.