O que as partículas podem nos dizer sobre o Cosmos?

Quarta-feira, 8 de novembro de 2017

Última modificação: Quarta-feira, 8 de novembro de 2017

Amanda Solliday

Tradução de Francisco Pazzini

Ver texto original neste link.

O micro e o macro podem revelar um pouco um do outro

No estudo da Física de Partículas, os cientistas estudam as propriedades da menor porção da matéria e como elas interagem. Outro ramo da Física – Astrofísica – desenvolve e testa teorias sobre o que está ocorrendo em nosso vasto universo.

Embora pareça que físicos de partículas e a astrofísicos mantém sua atenção em pontos opostos do espectro, na verdade, os cientistas dos dois campos do conhecimento dependem um do outro. Muitos aspectos da investigação científica unem o muito pequeno ao muito grande.

As sementes das estruturas cósmicas

Tanto os físicos de partículas quanto os astrofísicos fazem perguntas sobre a evolução do universo jovem.

Em seu escritório na Universidade de Stanford, Eva Silverstein explica seu trabalho analisando os detalhes matemáticos do período de crescimento mais rápido denominada inflação cósmica.

“Para mim, o assunto é particularmente interessante porque você pode compreender a origem da estrutura do universo”, diz Silverstein, uma professora de física da Universidade de Stanford e do Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas e Cosmologia. “Este paradigma conhecido como inflação nos remete a origem de estruturas da maneira mais simples e bela que um físico possa imaginar.

Os cientistas acreditam que após o Big Bang, o universo esfriou e partículas começaram a se combinar para formar os átomos de hidrogênio. Este processo ocorreu antes mesmo do aprisionamento de fótons – partículas elementares da luz.

A reminiscência desta luz, denominada radiação cósmica de fundo em micro-ondas, preenche o universo ainda hoje. Ao medir diferentes características desta radiação de fundo, os cientistas aprendem mais sobre o que ocorreu naqueles instantes iniciais ao Big Bang.

De acordo com os modelos dos cientistas, o padrão que se formou no nível subatômico se tornou subjacente às estruturas de todo o universo. Lugares que eram densos com partículas subatômicas – ou apenas flutuações virtuais de partículas subatômicas – atraiam mais e mais matérias. A medida que o universo crescia, estas áreas com maior densidade formaram as galáxias e os aglomerados de galáxias. As estruturas microscópicas cresceram para se transformar em estruturas macroscópicas.

Cientistas que estudam a radiação cósmica de fundo em micro-ondas esperam aprender mais do que apenas como o universo evoluiu – esperam obter pistas sobre a matéria escura, energia escura e a massa do neutrino (veja em http://www.symmetrymagazine.org/article/how-heavy-is-a-neutrino).

“É surpreendente que possamos investigar algo que ocorreu há quase 14 bilhões de anos atrás”, diz Silverstein. “Não podemos aprender tudo que ocorreu no passado remoto, mas podemos aprender uma incrível quantidade de coisas sobre o que existia e suas interações.

Para muitos cientistas “a tarefa de reconstruir a história inicial do universo é irresistível”, escreveu o físico Stephen Weinberg em seu livro de 1977, Os três primeiros minutos. Premiado com o Nobel, acrescenta, “Desde o início da ciência moderna, nos séculos XVI e XVII, os físicos e astrônomos tem sempre retornado ao problema da origem do universo.

Procurando no escuro

Tanto físicos de partículas quanto astrofísicos pensam sobre matéria escura e energia escura. Astrofísicos querem saber de que o universo primordial era feito e do que nosso universo atualmente é feito. Físicos de partículas querem saber se existem partículas e forças desconhecidas lá fora no espaço.

“A maioria do universo é composta de matéria escura, embora nenhuma partícula do Modelo Padrão (da física de partículas) tem a propriedade que ela deveria possuir, ” diz Michael Pesckin, professor de física teórica do SLAC (Laboratório de Acelerador Linear de Stanford). “A matéria escura, ao longo da existência do universo deve apresentar as seguintes propriedades: ser estável, interagir muito fracamente, ser massivo ou se mover em baixa velocidade.

Existem fortes evidências da existência da matéria escura devido a seus efeitos gravitacionais com a matéria ordinária das galáxias e aglomerados. Estas observações indicam que o universo é feito de apenas 5% de matéria normal, 25% de matéria escura e 70% de energia escura. Mas até o momento, os cientistas não detectaram diretamente a energia ou matéria escura. “Isto é realmente muito embaraçoso para a física de partículas,” diz Peskin. “Entretanto, para cada parte de matéria que nós vemos no universo existe 5 vezes mais matéria escura e nós não temos ideia do que seja.”

Mas os cientistas têm ferramentas poderosas para tentar compreender algumas dessas coisas desconhecidas. Nos últimos anos, o número de modelos sobre a matéria escura tem crescido, bem como o número de maneiras de detectá-la, diz Tom Rizzo, pesquisador sênior, do SLAC e chefe do grupo teórico.

Alguns experimentos buscam a detecção da evidência direta da colisão de partículas da matéria escura com partículas de matéria. Outros buscam a evidência indireta de partículas da matéria escura pela interferência dela em outros processos ou escondida na radiação cósmica de fundo em micro-ondas . Se a matéria escura tiver as propriedades previstas, os cientistas podem, em princípio, criá-las em um acelerador de partículas como o LHC (Grande Colisor de Hádrons).

Os físicos estão avidamente em busca de sinais da energia escura também. É possível medir as propriedades da energia escura ao observar o movimento de aglomerados de galáxias que estão o mais distantes possíveis do universo.

“Toda vez que aprendemos uma nova técnica de observar o universo, nós temos nos deparamos com muitas surpresas,” diz Marcelle Soares-Santos¹, professora da Brandeis University e pesquisadora da Dark Energy Survey “E nós podemos utilizar estas novas técnias de observação do universo para aprender mais sobrecosmologia e outras partes da física. “

Forças em jogo

Físicos de partículas e astrofísicos têm seus estudos ligados também com a gravidade. Para os físicos de partículas, a gravidade é uma das forças básicas da natureza que o Modelo Padrão não explica. Astrofísicos querem compreender o importante papel que a gravidade desempenhou e continua a desempenhar na formação do universo.

No Modelo Padrão, cada força tem o que se chama de partícula mediadora ou bóson. A força eletromagnética tem os fótons. A força forte (presente no núcleo dos átomos) têm os glúons. A força fraca (responsável pelo decaimento beta) têm os bóson W e Z. Quando as partículas se interagem por uma das forças, elas trocam estas partículas mediadoras, transferindo pequenos pacotes de informação denominado quanta, que os cientistas descrevem pela mecânica quântica.

A relatividade geral explica como a força gravitacional atua em grandes escalas: Terra atrai nossos corpos e os objetos planetários atraem-se mutuamente. Mas não se compreende como a gravidade é transmitida por partículas quânticas.

A descoberta da partículas mediadora da força gravitacional poderia explicar como a gravidade funciona em escalas microscópicas e construir a teoria quântica da gravidade (https://www6.slac.stanford.edu/news/2015-11-18-qa-slac-theorist-lance-dixon-explainsquantum-gravity.aspx) que poderia conectar a relatividade geral à mecânica quântica.

Comparada a outras forças fundamentais, a gravidade interage muito fracamente com a matéria, mas a intensidade da interação rapidamente se torna maior com as energias de alto valor. Os teóricos predizem que em valores muito altos de energia, como aqueles que existiam nos primórdios do universo, os efeitos quânticos da gravitação seriam tão fortes quanto os das outras forças. A gravidade teria um papel essencial na transformação do padrões de microescala da RCFMO em macroescala em nosso universo atual.

“Outra maneira na qual estes efeitos podem ser importantes para a gravidade é no caso do processo durar um longo tempo”, diz Silverstein.”Mesmo que as energias não sejam grandes o suficiente para que os efeitos sejam perceptíveis como na gravidade quântica”.

Os físicos estão modelando a gravidade por longos períodos de tempo em um esforço para revelar seus efeitos.

Nossa compreensão sobre gravidade é chave para a busca da matéria escura. Alguns cientistas pensam que a matéria escura não existe; eles dizem que as evidências que foram encontradas por enquanto são apenas devido ao fato de não compreendermos bem a força da gravidade.

Grandes Ideias, Pequenos Detalhes

Aprender mais sobre gravidade poderia nos dizer um pouco sobre a parte desconhecida do universo, o que revelaria como a estrutura no universo foi formada.

Os cientistas tentam encontrar o que liga a física de partículas com e o universo jovem, diz Peskin. À medida que os cientistas investigam o espaço e recuam no tempo, eles podem aprender mais sobre as regras que governam a física de altas energias, e que ao mesmo tempo, no dirá algo sobre os menores componentes de nosso mundo.

1 Astrofísica brasileira. Veja uma reportagem de seu trabalho em https://super.abril.com.br/blog/supernovas/brasileira-investiga-o-maior-misterio-do-universo-energia-escura/

Obs: as ilustrações deste artigo estão disponíveis para impressão em: (/sites/default/files/images/hires/Symmetry_Expansion_Poster.jpg)