No início de sua história, logo após o Big Bang, o universo foi preenchido com quantidades iguais de matéria e "antimatéria" - partículas que são contrapartes da matéria, mas com cargas opostas. Mas então, à medida que o espaço se expandia, o universo esfriava. O universo de hoje está cheio de galáxias e estrelas que são feitas de matéria. Para onde foi a antimatéria e como a matéria passou a dominar o universo? Essa origem cósmica da matéria continua intrigando os cientistas.
Físicos da Universidade da Califórnia, Riverside e da Universidade Tsinghua, na China, abriram agora um novo caminho para investigar a origem cósmica da matéria invocando o "colisor cosmológico".

Não é qualquer colisor

Colisores de alta energia, como o Grande Colisor de Hádrons, foram construídos para produzir partículas elementares subatômicas muito pesadas que podem revelar uma nova física. Mas algumas novas físicas, como a que explica a matéria escura e a origem da matéria, podem envolver partículas muito mais pesadas, exigindo energia muito mais alta do que um colisor feito pelo homem pode fornecer. Acontece que o cosmos primitivo poderia ter servido como um super colisor.

Yanou Cui, professor associado de física e astronomia da UCR, explicou que acredita-se amplamente que a inflação cósmica, uma era em que o universo se expandiu a uma taxa exponencialmente acelerada, precedeu o Big Bang.

"A inflação cósmica proporcionou um ambiente altamente energético, permitindo a produção de novas partículas pesadas, bem como suas interações", disse Cui. "O universo inflacionário se comportou como um colisor cosmológico, exceto que a energia era até 10 bilhões de vezes maior do que qualquer colisor feito pelo homem."

De acordo com Cui, estruturas microscópicas criadas por eventos energéticos durante a inflação foram esticadas à medida que o universo se expandiu, resultando em regiões de densidade variável em um universo homogêneo. Posteriormente, essas estruturas microscópicas semearam a estrutura em grande escala do nosso universo, manifestada hoje como a distribuição de galáxias pelo céu. Cui explicou que a nova física de partículas subatômicas pode ser revelada estudando a impressão do colisor cosmológico no conteúdo do cosmos hoje, como galáxias e o fundo cósmico de micro-ondas.

Cui e Zhong-Zhi Xianyu, professor assistente de física na Universidade de Tsinghua, relatam na revista Physical Review Letters que aplicando a física do colisor cosmológico e usando dados de precisão para medir a estrutura do nosso universo de experimentos futuros como SPHEREx e tomografia de linha de 21 cm, o mistério da origem cósmica da matéria pode ser desvendado.

“O fato de nosso universo atual ser dominado pela matéria permanece entre os mistérios mais desconcertantes e de longa data da física moderna”, disse Cui. “Um sutil desequilíbrio ou assimetria entre matéria e antimatéria no universo primitivo é necessário para alcançar o domínio da matéria de hoje, mas não pode ser realizado dentro da estrutura conhecida da física fundamental”.

Leptogênese ao resgate

Cui e Xianyu propõem testar a leptogênese, um mecanismo bem conhecido que explica a origem da assimetria do bárion – gás visível e estrelas – em nosso universo. Se o universo tivesse começado com quantidades iguais de matéria e antimatéria, eles teriam se aniquilado em radiação de fótons, sem deixar nada. Como a matéria excede em muito a antimatéria hoje, a assimetria é necessária para explicar o desequilíbrio.

"Leptogênese está entre os mecanismos mais convincentes que geram a assimetria matéria-antimatéria", disse Cui. "Envolve uma nova partícula fundamental, o neutrino destro. Durante muito tempo pensou-se, no entanto, que testar a leptogênese é quase impossível porque a massa do neutrino destro é tipicamente muitas ordens de magnitude além do alcance da energia mais alta. colisor já construído, o Grande Colisor de Hádrons."

O novo trabalho propõe testar a leptogênese decodificando as propriedades estatísticas detalhadas da distribuição espacial de objetos na estrutura cósmica observada hoje, reminiscente da física microscópica durante a inflação cósmica. O efeito do colisor cosmológico, argumentam os pesquisadores, permite a produção do neutrino destro superpesado durante a época inflacionária.

"Especificamente, demonstramos que as condições essenciais para a geração de assimetria, incluindo as interações e massas do neutrino destro, que é o jogador-chave aqui, podem deixar impressões digitais distintas nas estatísticas da distribuição espacial das galáxias ou fundo cósmico de microondas e pode ser medido com precisão", disse Cui. “As observações astrofísicas previstas para os próximos anos podem potencialmente detectar tais sinais e desvendar a origem cósmica da matéria”. + Explorar mais

Usando o universo como um 'colisor cosmológico' (Atualização)