Quando olhamos para o Universo, para todos os seus planetas e estrelas, galáxias e aglomerados, gás, poeira, plasma, vemos as mesmas assinaturas em todos os lugares. Vemos linhas de absorção e emissão atômica, vemos que a matéria interage com outras formas de matéria, vemos a formação e morte de estrelas, colisões, raios-X e muito mais. Há uma questão óbvia que requer explicação: por que estamos vendo tudo isso? Se as leis da física ditam a simetria entre matéria e antimatéria, o universo que observamos não deveria existir.
Mas estamos aqui e ninguém sabe por quê.
Por que não existe antimatéria no Universo?
Pense sobre esses dois fatos aparentemente conflitantes:
- cada vez que criamos um quark ou lepton, também criamos um antiquark e um antilepton;
- cada vez que um quark ou lepton é destruído, um antiquark ou antilepton também é destruído;
- léptons e antileptons criados ou destruídos devem estar em equilíbrio em toda a família summerpon, e cada vez que um quark ou lepton interage, colide ou decai, o número total de quarks e leptons no final da reação (quarks menos antiquarks, leptons menos antileptons) deve e será igual ao início.
A única maneira de mudar a quantidade de matéria no universo era também mudar a quantidade de antimatéria na mesma quantidade.
E, no entanto, há um segundo fato.
Mas não vemos nenhum sinal de destruição da matéria pela antimatéria em grande escala. Não vemos nenhum sinal de que algumas das estrelas, galáxias ou planetas que observamos sejam feitos de antimatéria. Não vemos os raios gama característicos que seria de esperar se a antimatéria colidisse com a matéria e se aniquilasse. Em vez disso, vemos apenas matéria em todos os lugares que olhamos.
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E parece impossível. Por um lado, não há maneira conhecida de fazer mais matéria do que antimatéria observando as partículas e suas interações no universo. Por outro lado, tudo o que vemos é definitivamente feito de matéria, não de antimatéria.
Na verdade, observamos a aniquilação de matéria e antimatéria sob algumas condições astrofísicas extremas, mas apenas perto de fontes hiperenergéticas que produzem matéria e antimatéria em quantidades iguais - buracos negros, por exemplo. Quando a antimatéria colide com a matéria do universo, ela produz raios gama de frequências muito específicas, que podemos então detectar. O meio intergaláctico interestelar está cheio de material, e a completa ausência desses raios gama é um forte sinal de que nunca haverá muito mais partículas de antimatéria, pois a assinatura da matéria de antimatéria seria então descoberta.
Se você jogar uma partícula de antimatéria em nossa galáxia, ela durará cerca de 300 anos antes de ser destruída por uma partícula de matéria. Essa limitação nos diz que a quantidade de antimatéria na Via Láctea não pode exceder 1 partícula por quatrilhão (1015), em relação à quantidade total de matéria.
Em grande escala - a escala de galáxias satélites, grandes galáxias do tamanho da Via Láctea e até mesmo aglomerados de galáxias - as restrições são menos rigorosas, mas ainda muito fortes. Observando distâncias de alguns milhões de anos-luz a três bilhões de anos-luz, observamos uma escassez de raios X e raios gama que poderiam indicar a aniquilação da matéria e da antimatéria. Mesmo em uma grande escala cosmológica, 99,999% do que existe em nosso universo será definitivamente representado pela matéria (como somos) e não pela antimatéria.
Como acabamos em tal situação em que o Universo consiste em uma grande quantidade de matéria e praticamente não contém antimatéria, se as leis da natureza são absolutamente simétricas entre matéria e antimatéria? Bem, existem duas opções: ou o Universo nasceu com mais matéria do que antimatéria, ou algo aconteceu em um estágio inicial, quando o Universo era muito quente e denso, e deu origem a uma assimetria de matéria e antimatéria, que originalmente não existia.
A primeira ideia não pode ser testada cientificamente sem recriar todo o Universo, mas a segunda é muito convincente. Se nosso Universo de alguma forma criou uma assimetria de matéria e antimatéria onde não estava originalmente, então as regras que funcionavam então permanecerão inalteradas hoje. Se formos inteligentes o suficiente, podemos desenvolver testes experimentais que revelam a origem da matéria em nosso universo.
No final dos anos 1960, o físico Andrei Sakharov identificou três condições necessárias para a bariogênese, ou a criação de mais bárions (prótons e nêutrons) do que antibárions. Aqui estão eles:
- O universo deve ser um sistema sem equilíbrio.
- Deve ter uma violação C e CP.
- Deve haver interações que violem o número bárion.
O primeiro é fácil de observar, pois um Universo em expansão e resfriamento com partículas instáveis (e antipartículas), por definição, estará fora de equilíbrio. A segunda também é simples, porque a simetria C (substituição de partículas por antipartículas) e simetria CP (substituição de partículas por antipartículas refletidas especularmente) são quebradas em muitas interações fracas envolvendo quarks estranhos, encantados e bonitos.
A questão permanece como quebrar o número bárion. Observamos experimentalmente que o equilíbrio de quarks para antiquarks e léptons para antileptons está claramente preservado. Mas no modelo padrão da física de partículas não há nenhuma lei de conservação explícita para qualquer uma dessas quantidades separadamente.
São necessários três quarks para fazer um bárion, então para cada três quarks atribuímos um número bárion (B) 1. Da mesma forma, cada leptão receberá um número leptônico (L) 1. Antiquarks, antibárions e antileptons terão números B e L negativos.
Mas de acordo com as regras do modelo padrão, apenas a diferença entre bárions e léptons permanece. Nas circunstâncias certas, você pode não apenas criar prótons adicionais, mas também elétrons para eles. As circunstâncias exatas são desconhecidas, mas o Big Bang deu a eles a oportunidade de serem realizados.
Os primeiros estágios da existência do Universo são descritos por energias incrivelmente altas: altas o suficiente para criar todas as partículas e antipartículas conhecidas em grandes quantidades de acordo com a famosa fórmula de Einstein E = mc2. Se criar e destruir partículas funcionasse como pensamos, o universo primitivo teria que ser preenchido com um número igual de partículas de matéria e antimatéria, que se transformaram mutuamente, uma vez que a energia disponível permaneceu extremamente alta.
Conforme o universo se expande e esfria, as partículas instáveis, uma vez criadas em abundância, entrarão em colapso. Se as condições certas forem satisfeitas - em particular, as três condições dos açúcares - isso pode levar a um excesso de matéria em relação à antimatéria, mesmo que inicialmente não houvesse nenhum. O desafio para os físicos é criar um cenário viável, consistente com observação e experimentação, que possa fornecer matéria em excesso suficiente em relação à antimatéria.
Existem três possibilidades principais para este excesso de matéria sobre a antimatéria:
- A nova física na escala eletrofraca pode aumentar significativamente a quantidade de violação de C e CP no Universo, o que levará a assimetrias entre matéria e antimatéria. As interações SM (através do processo sphaleron) que quebram B e L individualmente (mas retêm B - L) podem criar os volumes desejados de bárions e leptões.
- A nova física de neutrinos de alta energia que o universo está sugerindo poderia criar uma assimetria fundamental de léptons: a leptogênese. Sphalerons conservando B - L poderiam então usar assimetria leptônica para criar assimetria bariônica.
- Ou a bariogênese na escala da grande unificação, se a nova física (e novas partículas) existir na escala da grande unificação, quando a força eletrofraca é combinada com a forte.
Esses cenários têm elementos comuns, então vamos dar uma olhada no último, apenas a título de exemplo, para entender o que pode ter acontecido.
Se a teoria da grande unificação estiver correta, deve haver novas partículas superpesadas chamadas X e Y que têm propriedades semelhantes às do barião e do leptão. Também deveriam haver seus parceiros da antimatéria: anti-X e anti-Y, com números B-L opostos e cargas opostas, mas com a mesma massa e tempo de vida. Esses pares partícula-antipartícula podem ser criados em grandes quantidades com energias altas o suficiente para subsequentemente decair.
Então, preenchemos o universo com eles, e então eles se desintegram. Se tivermos violações C e CP, pode haver pequenas diferenças em como as partículas e antipartículas (X, Y e anti-X, anti-Y) decaem.
Se a partícula X tem dois caminhos: decai em dois quarks up ou em dois quarks anti-down e um pósitron, então o anti-X deve seguir dois caminhos correspondentes: dois quarks anti-up ou um quark down e um elétron. Há uma diferença importante que é permitida quando C- e CP são quebrados: X pode ter mais probabilidade de decair em dois quarks up do que o anti-X em dois quarks anti-up, enquanto o anti-X tem mais probabilidade de decair em quark down e um elétron do que X - em um quark anti-up e um pósitron.
Se você tiver pares suficientes e decair dessa forma, poderá facilmente obter um excesso de bárions sobre os antibárions (e de léptons sobre os antileptons), onde não havia nenhum antes.
Este é apenas um exemplo para ilustrar nossa compreensão do que aconteceu. Começamos com um universo completamente simétrico, obedecendo a todas as leis conhecidas da física, e com um estado quente, denso, rico, cheio de matéria e antimatéria em quantidades iguais. Por meio de um mecanismo que ainda precisamos determinar, obedecendo às três condições de Sakharov, esses processos naturais acabaram por criar um excesso de matéria em relação à antimatéria.
O fato de que existimos e somos feitos de matéria é inegável; a questão é por que nosso Universo contém algo (matéria) e não nada (afinal, matéria e antimatéria estavam igualmente divididas). Talvez neste século encontremos a resposta a essa pergunta.
Ilya Khel
