Em todas as escalas do Universo, desde a nossa vizinhança local ao meio interestelar até ao indivíduo… galáxias a aglomerados a filamentos e à grande teia cósmica, tudo o que observamos parece ser feito de matéria normal e não de antimatéria. Este é um mistério inexplicável.
NASA, ESA, e a equipa Hubble Heritage (STScI/AURA)
Quando se olha para a vastidão do Universo, para os planetas, estrelas, galáxias, e tudo o que existe lá fora, uma pergunta óbvia grita por uma explicação: porque é que existe algo em vez de nada? O problema torna-se ainda pior quando se consideram as leis da física que regem o nosso Universo, as quais parecem ser completamente simétricas entre a matéria e a antimatéria. No entanto, ao olharmos para o que existe lá fora, descobrimos que todas as estrelas e galáxias que vemos são feitas a 100% de matéria, com quase nenhuma antimatéria. Claramente, existimos, tal como as estrelas e galáxias que vemos, pelo que algo deve ter criado mais matéria do que antimatéria, tornando possível o Universo que conhecemos. Mas como é que isso aconteceu? É um dos maiores mistérios do Universo, mas que estamos mais perto do que nunca de resolver.
O conteúdo de matéria e energia no Universo no momento presente (esquerda) e em tempos anteriores… (direita). Note-se a presença de energia escura, matéria escura, e a prevalência de matéria normal sobre antimatéria, que é tão ínfima que não contribui em nenhum dos momentos mostrados.
NASA, modificado pelo utilizador do Wikimedia Commons 老陳, modificado mais adiante por E. Siegel
- Todas as interacções entre partículas que alguma vez observámos, em todas as energias, nunca criaram ou destruíram uma única partícula de matéria sem também criarem ou destruírem um número igual de partículas de antimatéria.
- Quando olhamos para o Universo, para todas as estrelas, galáxias, nuvens de gás, aglomerados, superaglomerados e estruturas de maior escala em toda a parte, tudo parece ser feito de matéria e não de antimatéria.
Parece uma impossibilidade. Por um lado, não há nenhuma forma conhecida, dadas as partículas e as suas interacções no Universo, de fazer mais matéria do que antimatéria. Por outro lado, tudo o que vemos é definitivamente feito de matéria e não de antimatéria. Eis como sabemos.
A produção de pares matéria/antimatéria (esquerda) a partir de energia pura é uma reacção… completamente reversível (direita), com a matéria/antimatéria a aniquilar de volta à energia pura. Este processo de criação-e-antimatéria, que obedece a E = mc^2, é a única forma conhecida de criar e destruir matéria ou antimatéria.
Dmitri Pogosyan / Universidade de Alberta
Quando e onde quer que a antimatéria e a matéria se encontrem no Universo, há uma fantástica explosão de energia devido à aniquilação partícula-antipartícula. Observamos de facto esta aniquilação em alguns locais, mas apenas em torno de fontes hiper-energéticas que produzem matéria e antimatéria em quantidades iguais, como em torno de buracos negros maciços. Quando a antimatéria esbarra na matéria no Universo, produz raios gama de frequências muito específicas, que podemos então detectar. O meio interestelar e intergaláctico está cheio de material, e a completa falta destes raios gama é um sinal forte de que não há grandes quantidades de partículas de antimatéria voando em qualquer lugar, uma vez que essa assinatura matéria/antimatéria apareceria.
Se em aglomerados, galáxias, a nossa própria vizinhança estelar ou o nosso Sistema Solar, temos limites tremendos,… poderosos na fracção de antimatéria no Universo. Não pode haver dúvidas: tudo no Universo é dominado pela matéria.
Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122
No meio interestelar da nossa própria galáxia, a vida média seria da ordem dos 300 anos, o que é minúsculo em comparação com a idade da nossa galáxia! Esta restrição diz-nos que, pelo menos dentro da Via Láctea, a quantidade de antimatéria que pode ser misturada com a matéria que observamos é no máximo 1 parte em 1.000.000.000.000.000.000! Em escalas maiores – de galáxias e aglomerados de galáxias, por exemplo – os constrangimentos são menos rigorosos mas ainda muito fortes. Com observações que vão desde apenas alguns milhões de anos-luz de distância até mais de três mil milhões de anos-luz de distância, observámos uma escassez dos raios X e dos raios gama que esperaríamos da aniquilação da matéria-antimatéria. O que vimos é que mesmo em grandes escalas cosmológicas, 99,999%+ do que existe no nosso Universo é definitivamente matéria (como nós) e não antimatéria.
Esta é a nebulosa de reflexão IC 2631, como imitado pelo telescópio MPG/ESO 2,2-m. Quer dentro da nossa… própria galáxia ou entre galáxias, simplesmente não há evidência das assinaturas de raios gama que teriam de existir se houvesse bolsas, estrelas, ou galáxias significativas feitas de antimatéria.
ESO
Então, de alguma forma, embora não estejamos inteiramente seguros de como, tivemos de ter criado mais matéria do que antimatéria no passado do Universo. O que se torna ainda mais confuso pelo facto de a simetria entre matéria e antimatéria, em termos de física das partículas, ser ainda mais explícita do que se possa pensar. Por exemplo:
- sempre que criamos um quark, também criamos um antiquark,
- sempre que um quark é destruído, um antiquark também é destruído,
- sempre que criamos-ou-destruímos um lepton, também criamos-ou-destruímos um antilepton da mesma família de lepton, e
- sempre que um quark-ou-lepton experimenta uma interacção, colisão ou decadência, o número total líquido de quarks e leptões no final da reacção (quarks menos antiquarks, leptões menos antileptões) é o mesmo no final que era no início.
A única forma de termos feito mais (ou menos) matéria no Universo foi também fazer mais (ou menos) antimatéria numa quantidade igual.
As partículas e antipartículas do Modelo Padrão obedecem a todo o tipo de leis de conservação, mas lá…. há ligeiras diferenças entre o comportamento de certos pares de partículas/antipartículas que podem ser indícios da origem da bariogénese.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Mas sabemos que isso deve ser possível; a única questão é como isso aconteceu. No final dos anos 60, o físico Andrei Sakharov identificou três condições necessárias para a bariogénese, ou a criação de mais bariões (protões e neutrões) do que anti-bariões. São as seguintes:
- O Universo deve ser um sistema fora de equilíbrio.
- Deve exibir C- e CP-violação.
- Deve haver interacções de bariões-números-violação.
A primeira é fácil, porque um Universo em expansão, arrefecido, com partículas instáveis (e/ou antipartículas) no seu interior está, por definição, fora de equilíbrio. A segunda também é fácil, pois a simetria “C” (substituindo partículas por antipartículas) e a simetria “CP” (substituindo partículas por antipartículas reflectidas pelo espelho) são ambas violadas nas interacções fracas.
Um méson normal gira no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio sobre o seu Pólo Norte e depois decai com um electrão a ser… emitido ao longo da direcção do Pólo Norte. A aplicação da simetria C substitui as partículas por antipartículas, o que significa que devemos ter uma rotação de um vez no sentido anti-horário em torno da sua decadência no Pólo Norte, emitindo um positron no sentido Norte. Da mesma forma, a simetria P vira o que vemos num espelho. Se partículas e antipartículas não se comportarem exactamente da mesma forma sob simetrias C, P, ou CP, diz-se que essa simetria é violada. Até agora, apenas a fraca interacção viola qualquer das três.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Isso deixa a questão de como violar o número de bariões. No Modelo Padrão da física de partículas, apesar da conservação observada do número de bariões, não existe uma lei de conservação explícita nem para isso nem para o número de leptões (onde um leptão é uma partícula como um electrão ou um neutrino). Em vez disso, é apenas a diferença entre bariões e leptões, B – L, que é conservada. Assim, nas circunstâncias certas, não só se podem fazer protões extra, como também os electrões necessários para os acompanhar.
O que essas circunstâncias ainda são um mistério, contudo. Nas fases iniciais do Universo, esperamos totalmente que existam quantidades iguais de matéria e antimatéria, com velocidades e energias muito elevadas.
Nas altas temperaturas alcançadas no Universo muito jovem, não só as partículas e os fotões podem ser… criados espontaneamente, com energia suficiente, mas também antipartículas e partículas instáveis, resultando numa sopa primordial de partículas e antipartículas.
Laboratório Nacional Brookhaven
À medida que o Universo se expande e arrefece, as partículas instáveis, uma vez criadas em grande abundância, irão decair. Se as condições certas forem satisfeitas, podem levar a um excesso de matéria sobre a antimatéria, mesmo onde inicialmente não havia nenhuma. Há três possibilidades principais de como este excesso de matéria sobre antimatéria poderia ter surgido:
- Nova física à escala de electroweak poderia aumentar grandemente a quantidade de C- e CP-violação no Universo, levando a uma assimetria entre matéria e antimatéria. As interacções de Esfaleron, que violam B e L individualmente (mas conservam B – L), podem então gerar as quantidades certas de bariões e leptões. Isto pode ocorrer ou sem super-simetria ou com super-simetria, dependendo do mecanismo.
- Nova física de neutrinos em altas energias, da qual temos uma tremenda dica, poderia criar uma assimetria fundamental de leptões desde cedo: a leptogénese. Os esfalões, que conservam B – L, usariam então essa assimetria de leptão para gerar uma assimetria de bariões.
- bariogénese à escala de GUT, onde novas físicas (e novas partículas) existem na grande escala de unificação, onde a força de electroweak se unifica com a força forte.
Estes cenários têm todos alguns elementos em comum, por isso vamos caminhar através do último, apenas como exemplo, para ver o que poderia ter acontecido.
Além das outras partículas do Universo, se a ideia de uma Grande Teoria Unificada se aplicar a… o nosso Universo, haverá mais bósons super-pesados, partículas X e Y, juntamente com as suas antipartículas, mostradas com as suas cargas apropriadas no meio do mar quente de outras partículas no início do Universo.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Se a grande unificação for verdadeira, então deverá haver novas partículas super-pesadas, chamadas X e Y, que têm tanto propriedades semelhantes a bariões como a leptões. Também deveria haver as suas contrapartidas antimatéria: anti-X e anti-Y, com números B – L opostos e as cargas opostas, mas com a mesma massa e vida útil. Estes pares partículas-antipartículas podem ser criados em grande abundância a energias suficientemente altas, e depois decairão em alturas posteriores.
Para que o seu Universo possa ser preenchido com elas, e depois decairão. Se tiver C- e CP-violação, porém, então é possível que haja ligeiras diferenças entre a forma como as partículas e as antipartículas (X/Y vs. anti-X/anti-Y) se decompõem.
Se permitirmos que partículas X e Y se decomponham nos quarks e combinações de leptões mostrados, as suas… antipartículas homólogas decompor-se-ão nas respectivas combinações de antipartículas. Mas se o CP for violado, as vias de decomposição – ou a percentagem de partículas em decomposição de uma forma contra outra – podem ser diferentes para as partículas X e Y em comparação com as partículas anti-X e anti-Y, resultando numa produção líquida de bariões sobre anti-bariões e leptões sobre antileptões.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Se a sua partícula X tiver duas vias: decaimento em dois quarks acima ou um quark anti-inferior e um positron, então o anti-X tem de ter duas vias correspondentes: dois quarks anti-up ou um quark abaixo e um electrão. Note-se que o X tem B – L de dois terços em ambos os casos, enquanto que o anti-X tem dois terços negativos. É semelhante para as partículas Y/anti-Y. Mas há uma diferença importante que é permitida com o C- e o CP-violação: o X pode ter mais probabilidade de se decompor em dois quarks acima do que o anti-X pode decompor-se em dois quarks anti-up, enquanto o anti-X pode ter mais probabilidade de se decompor num quark abaixo e um electrão do que o X pode decompor-se num quark abaixo e num positron.
Se tiveres pares X/anti-X e Y/anti-Y suficientes, e eles se decompõem desta forma permitida, podes facilmente fazer um excesso de bariões sobre anti-bariões (e leptões sobre anti-leptões) onde anteriormente não havia nenhum.
Se as partículas se decompusessem de acordo com o mecanismo descrito acima, ficaríamos com um… excesso de quarks sobre antiquarks (e leptões sobre antileptões) depois de todas as partículas instáveis e super-pesadas se decomporem. Após o excesso de pares partículas-antipartículas aniquiladas (combinadas com linhas vermelhas pontilhadas), ficaríamos com um excesso de quarks para cima e para baixo, que compõem protões e neutrões em combinações de cima para baixo e de cima para baixo, respectivamente, e electrões, que corresponderão aos protões em número.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Por outras palavras, pode-se começar com um Universo completamente simétrico, um que obedece a todas as leis conhecidas da física e que cria espontaneamente matéria e antimatéria apenas em pares iguais e opostos, e acabar com um excesso de matéria sobre antimatéria no final. Temos múltiplos caminhos possíveis para o sucesso, mas é muito provável que a natureza só precisasse de um deles para nos dar o nosso Universo.
O facto de existirmos e sermos feitos de matéria é indiscutível; a questão de porque é que o nosso Universo contém algo (matéria) em vez de nada (de uma mistura igual de matéria e antimatéria) é uma questão que deve ter uma resposta. Este século, os avanços nos testes de electroweak de precisão, a tecnologia de colisão, e as experiências de sondagem física de partículas para além do Modelo Standard podem revelar exactamente como isso aconteceu. E quando o fizer, um dos maiores mistérios de toda a existência terá finalmente uma solução.