Um novo estudo, conduzido para entender melhor a origem do universo, forneceu uma visão sobre algumas das questões mais duradouras da física fundamental:Como o modelo padrão da física de partículas pode ser estendido para explicar o excesso cosmológico de matéria sobre a antimatéria? O que é matéria escura? E qual é a origem teórica de uma simetria inesperada, mas observada na força que une prótons e nêutrons?

No artigo "Axiogênese, "programado para ser publicado em Cartas de revisão física em 17 de março, 2020, pesquisadores Keisuke Harigaya, Membro da Escola de Ciências Naturais do Instituto de Estudos Avançados, e Raymond T. Co da Universidade de Michigan, apresentaram um caso convincente em que o axião da cromodinâmica quântica (QCD), teorizado pela primeira vez em 1977, fornece várias respostas importantes a essas perguntas.

"Revelamos que a rotação do áxion QCD pode ser responsável pelo excesso de matéria encontrada no universo, "afirmou Harigaya." Chamamos esse mecanismo de axiogênese. "

Infinitesimalmente leve, o axion QCD - pelo menos um bilhão de vezes mais leve que um próton - é quase como um fantasma. Milhões dessas partículas passam pela matéria comum a cada segundo sem aviso prévio. Contudo, a interação de nível subatômico do áxion QCD ainda pode deixar sinais detectáveis ​​em experimentos com sensibilidades sem precedentes. Embora o eixo QCD nunca tenha sido detectado diretamente, este estudo fornece combustível adicional para experimentalistas caçarem a partícula indescritível.

"A versatilidade do axion QCD em resolver os mistérios da física fundamental é verdadeiramente surpreendente, "afirmou Co." Estamos entusiasmados com as possibilidades teóricas inexploradas que este novo aspecto do eixo QCD pode trazer. Mais importante, os experimentos podem em breve nos dizer se os mistérios da natureza realmente apontam para o áxion QCD. "

Harigaya e companhia concluíram que o eixo QCD é capaz de preencher simultaneamente três peças que faltam no quebra-cabeça da física. Primeiro, o eixo QCD foi originalmente proposto para explicar o chamado problema de CP forte - por que a força forte, que liga prótons e nêutrons, preserva inesperadamente uma simetria chamada simetria de paridade de carga (CP). A simetria CP é inferida da observação de que um nêutron não reage com um campo elétrico, apesar de seus constituintes carregados. Segundo, o axião QCD foi considerado um bom candidato para matéria escura, oferecendo o que poderia ser um grande avanço na compreensão da composição de aproximadamente 80 por cento da massa do universo que nunca foi observada diretamente. Em seu trabalho sobre o universo primordial, Harigaya e Co determinaram que o axião QCD também pode explicar o problema de assimetria matéria-antimatéria.

À medida que as partículas de matéria e antimatéria interagem, eles são mutuamente aniquilados. Na primeira fração de segundo após o Big Bang, matéria e antimatéria existiam em quantidades iguais. Essa simetria impedia o predomínio de um tipo de matéria sobre o outro. Hoje, o universo está cheio de matéria, indicando que essa simetria deve ter sido quebrada. Harigaya e Co citam o axião QCD como o culpado. Energia cinética, resultante do movimento do eixo QCD, produziu bárions adicionais ou matéria comum. Esta ligeira inclinação da escala em favor da matéria teria um efeito cascata pronunciado, pavimentando o caminho para o universo como é conhecido hoje.

Uma maior compreensão da dinâmica recém-descoberta do áxion QCD poderia potencialmente mudar a história de expansão do universo e, assim, informar o estudo das ondas gravitacionais. Trabalhos futuros sobre este tópico também podem fornecer mais informações sobre outras questões persistentes da física fundamental, como a origem da minúscula massa de neutrino.

"Desde físicos de partículas teóricos e experimentais, astrofísicos, e cosmologistas começaram a estudar o axião QCD, grande progresso foi feito. Esperamos que nosso trabalho avance ainda mais esses esforços de pesquisa interdisciplinar, "acrescentou Harigaya.