O universo consiste em um enorme desequilíbrio entre matéria e antimatéria. Antimatéria e matéria são realmente iguais, mas tem cargas opostas, mas quase não há antimatéria no universo observável, incluindo as estrelas e outras galáxias. Em teoria, deve haver grandes quantidades de antimatéria, mas o universo observável é principalmente matéria

"Estamos aqui porque há mais matéria do que antimatéria no universo, "diz o professor Jens Oluf Andersen do Departamento de Física da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia (NTNU). Este grande desequilíbrio entre matéria e antimatéria é matéria tangível, incluindo formas de vida, existe, mas os cientistas não entendem por quê.

A física usa um modelo padrão para explicar e entender como o mundo está conectado. O modelo padrão é uma teoria que descreve todas as partículas com as quais os cientistas estão familiarizados. É responsável por quarks, elétrons, a partícula do bóson de Higgs e como todos eles interagem uns com os outros. Mas o modelo padrão não pode explicar o fato de que o mundo consiste quase exclusivamente de matéria. Portanto, deve haver algo que ainda não entendemos.

Quando a antimatéria e a matéria se encontram, eles aniquilam, e o resultado é luz e nada mais. Dadas quantidades iguais de matéria e antimatéria, nada permaneceria uma vez que a reação fosse completada. Enquanto não sabemos por que existe mais matéria, não podemos saber por que os blocos de construção de qualquer outra coisa existem, qualquer. "Este é um dos maiores problemas não resolvidos da física, "diz Andersen.

Os pesquisadores chamam isso de problema de "assimetria bárion". Bárions são partículas subatômicas, incluindo prótons e nêutrons. Todos os bárions têm um antibárion correspondente, o que é misteriosamente raro. O modelo padrão da física explica vários aspectos das forças da natureza. Isso explica como os átomos se tornam moléculas, e explica as partículas que constituem os átomos.

"O modelo padrão da física inclui todas as partículas que conhecemos. A partícula mais recente, o bóson de Higgs, foi descoberto em 2012 no CERN, diz Andersen. Com esta descoberta, uma peça importante se encaixou. Mas não o final. O modelo padrão funciona perfeitamente para explicar grandes partes do universo, então os pesquisadores ficam intrigados quando algo não se encaixa. A assimetria bariônica pertence a esta categoria.

Os físicos têm suas teorias sobre por que há mais matéria, e, portanto, por que existimos inegavelmente. "Uma teoria é que tem sido assim desde o Big Bang, "diz Andersen. Em outras palavras, o desequilíbrio entre matéria e antimatéria é uma pré-condição básica que existe mais ou menos desde o início.

Quarks estão entre os menores blocos de construção da natureza. Um excedente inicial de quarks em relação aos antiquarks foi propagado à medida que unidades maiores se formavam. Mas Andersen não se importa com essa explicação. "Ainda não estamos felizes com essa ideia, porque não nos diz muito, " ele diz.

Então, por que esse desequilíbrio estava presente desde o início? Por que os quarks superaram inicialmente os antiquarks? "Em princípio, é possível gerar assimetria dentro do modelo padrão da física - isto é, a diferença entre a quantidade de matéria e antimatéria. Mas encontramos dois problemas, "diz Andersen.

Em primeiro lugar, os cientistas têm que voltar no tempo, logo após o Big Bang, quando tudo começou - estamos falando de cerca de 10 picossegundos, ou 10 ^-11 segundos após o Big Bang.

O segundo problema é que as temperaturas devem estar em torno de 1 trilhão de graus Kelvin, ou 10 ¹⁵ graus. Isso é abrasador - considere que a superfície do sol tem apenas cerca de 5700 graus. Sem considerar, não é suficiente para explicar a matéria bariônica. "Não pode funcionar. No modelo padrão, não temos matéria suficiente, "Andersen diz." O problema é que o salto no valor esperado do campo de Higgs é muito pequeno, "ele acrescenta em benefício aqueles com apenas um domínio mínimo de física.

"Provavelmente não é apenas a nossa imaginação que impõe limites, mas existem muitas possibilidades, "diz Andersen. Essas possibilidades, portanto, precisam funcionar em conjunto com o modelo padrão." O que realmente estamos procurando é uma extensão do modelo padrão. Algo que se encaixa nisso. "

Nem ele nem outros físicos duvidam de que o modelo padrão esteja certo. O modelo é continuamente testado no CERN e outros aceleradores de partículas. Só que o modelo ainda não está completo. Andersen e seus colegas estão investigando várias possibilidades para o modelo se ajustar ao desequilíbrio entre matéria e antimatéria. Os últimos resultados foram publicados recentemente em Cartas de revisão física .

"Na realidade, estamos falando sobre transições de fase, "diz Andersen. Seu grupo está considerando processos de mudança na matéria, como água se transformando em vapor ou gelo sob condições variáveis. Eles também estão considerando se a matéria surgiu como resultado de uma transição de fase eletrofraca (EWPT) e formou um excedente de bárions logo após o Big Bang. A transição de fase eletrofraca ocorre pela formação de bolhas. A nova fase se expande, um pouco como bolhas de água, e assume todo o universo.

Andersen e seus colegas testaram o chamado modelo de "dupleto de Higgs" (2HDM), uma das extensões mais simples do modelo padrão. Eles procuraram por possíveis áreas onde as condições certas estão presentes para criar matéria. "Existem vários cenários de como a assimetria bárion foi criada. Estudamos a transição de fase eletrofraca usando o modelo 2HDM. Essa transição de fase ocorre no estágio inicial do nosso universo, "diz Andersen.

O processo é comparável à água fervente. Quando a água atinge 100 graus Celsius, bolhas de gás se formam e sobem. Essas bolhas de gás contêm vapor de água, que é a fase gasosa. A água é um líquido. Quando ele faz a transição da fase gasosa para a fase líquida no universo inicial durante um processo no qual o universo se expande e é resfriado, um excedente de quarks é produzido em comparação com antiquarks, gerando a assimetria bariônica.

Por último mas não menos importante, os pesquisadores também estão fazendo matemática. Para que os modelos funcionem em sincronia, parâmetros ou valores numéricos devem se ajustar para que ambos os modelos estejam corretos ao mesmo tempo. Portanto, o trabalho é encontrar esses parâmetros. No artigo mais recente em Cartas de revisão física , Andersen e seus colegas estreitaram a área matemática em que a matéria pode ser criada e, ao mesmo tempo, correspondem a ambos os modelos. Eles agora estreitaram as possibilidades.

"Para que o novo modelo (2HDM) corresponda ao que já sabemos do CERN, por exemplo, os parâmetros do modelo não podem ser qualquer coisa. Por outro lado, ser capaz de produzir assimetria bárion suficiente, os parâmetros também devem estar dentro de um determinado intervalo. É por isso que estamos tentando estreitar o intervalo de parâmetros. Mas isso ainda está muito longe, "diz Andersen. Em qualquer caso, os pesquisadores avançaram um pouco no caminho para entender por que nós e tudo o mais estamos aqui.