Por que o Universo é assimétrico?

Físicos estudam a presença de matéria e antimatéria no universo — e como esse fenômeno pode nos contar mais sobre onde viemos

Por que nós existimos? Esta é sem dúvida a questão mais profunda que existe e que pode parecer completamente fora do escopo da física de partículas. Mas o nosso novo experimento no Grande Colisor de Hádrons da Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN) nos deixou um passo mais perto de descobrir isso.

Para entender o porquê, vamos voltar a 13,8 bilhões de anos atrás, até o Big Bang. Este evento produziu uma enorme quantidade da matéria da qual você é feito e também algo chamado de antimatéria. Acredita-se que cada partícula tenha uma companheira de antimatéria virtualmente idêntica a si mesma, mas com a carga oposta. Quando uma partícula e sua antipartícula se encontram, elas se aniquilam — desaparecendo em uma explosão de luz.

Um dos maiores mistérios da física moderna é o motivo de o universo que vemos hoje ser feito inteiramente de matéria. Se houvesse uma quantidade igual de antimatéria, tudo no universo teria sido aniquilado. Nossa pesquisa revelou uma nova fonte dessa assimetria entre matéria e antimatéria.

A antimatéria foi pensada pela primeira vez por Arthur Schuster em 1896, depois uma base teórica para Paul Dirac em 1928, e descoberta na forma de anti-elétrons, apelidados de pósitrons, por Carl Anderson em 1932. Os pósitrons ocorrem em processos radioativos naturais, como no decaimento do potássio-40. Isso significa que a banana (que contém potássio) emite um pósitron a cada 75 minutos. Depois aniquilam com elétrons de matéria para produzir luz. Aplicações médicas, como PET scans, produzem antimatéria no mesmo processo.

Os blocos fundamentais de construção da matéria que compõem os átomos são as partículas elementares chamadas de quarks e léptons. Existem seis tipos de quarks: up, down, strange, charm, bottom e top. Da mesma forma, existem seis léptons: o elétron, o múon, o tau e três neutrinos. Há também cópias de antimatéria dessas doze partículas que diferem apenas em sua carga.

As partículas de antimatéria devem, em princípio, ser imagens espelhadas perfeitas de seus companheiros normais. Mas experimentos mostram que isso nem sempre é o caso. Tomemos como exemplo partículas conhecidas como mésons, que são feitas de um quark e um anti-quark. Os mésons neutros têm uma característica fascinante: eles podem se transformar espontaneamente em seu anti-meson e vice-versa. Nesse processo, o quark se transforma em um anti-quark ou o anti-quark se transforma em um quark. Porém, experimentos mostraram que isso pode acontecer mais em uma direção do que na outra — criando mais matéria do que antimatéria ao longo do tempo.

A terceira vez é um encanto

Entre as partículas que contêm quarks, apenas as que incluem os quarks estranhos e os inferiores exibem tais assimetrias — e essas foram descobertas extremamente importantes. A primeira observação da assimetria envolvendo partículas estranhas aconteceu em 1964 e permitiu teóricos preverem a existência de seis quarks — em uma época em que apenas três eram conhecidos. A descoberta, em 2001, da assimetria em partículas de fundo foi a confirmação final do mecanismo dos seis quarks. Ambas as descobertas levaram ao Prêmio Nobel.


(FOTO: LHCB. MAXIMILIEN BRICE ET AL./CERN)

Tanto o quark estranho quanto o do fundo carregam uma carga elétrica negativa. O único quark carregado positivamente que teoricamente deveria ser capaz de formar partículas que podem exibir assimetria de matéria e antimatéria é o charm. A teoria sugere que, se isso acontecer, o efeito deve ser minúsculo e difícil de detectar.

No entanto, agora o experimento LHCb conseguiu observar essa assimetria de partículas chamadas de D-meson — que são compostas de quarks de charm — pela primeira vez. Isso é possível graças à quantidade sem precedentes de partículas de charm produzidas diretamente nas colisões do LHC, do qual fui pioneiro há uma década. O resultado indica que a chance de isso ser uma flutuação estatística é de cerca de 50 em um bilhão.

Se essa assimetria não vem do mesmo mecanismo que causa as assimetrias dos quarks estranhos e do fundo, isso abre espaço para novas fontes de assimetria entre matéria e antimatéria que podem ser adicionadas ao total no universo primitivo. E isso é importante porque os poucos casos conhecidos de assimetria não conseguem explicar por que o universo contém muita matéria. A descoberta da partícula charm por si só não será suficiente para preencher essa lacuna, mas é uma peça fundamental no entendimento das interações das partículas fundamentais.

Próximos passos

A descoberta será seguida por um aumento do número de trabalhos teóricos, que ajudam a interpretar o resultado. Mas, mais importante, após a nossa descoberta isso vai delinear mais testes para aprofundar o entendimento — vários deles já estão em andamento.

Durante a próxima década, o experimento LHCb atualizado aumentará a sensibilidade para esses tipos de medições. Isso será complementado pelo experimento Belle II, no Japão, que está apenas começando a operar. Essas são perspectivas empolgantes para a pesquisa da assimetria de matéria-antimatéria.

A antimatéria também está no coração de vários outros experimentos. Anti-átomos inteiros estão sendo produzidos no Antiproton Decelerator do CERN, que alimenta outros experimentos que realizam medições de alta precisão. O experimento AMS-2 a bordo da Estação Espacial Internacional é um que está à procura de antimatéria de origem cósmica. E uma série de experimentos atuais e futuros abordará a questão da existência de assimetria de matéria e antimatéria entre os neutrinos.

Enquanto ainda não conseguimos resolver completamente o mistério da assimetria entre matéria-antimatéria do universo, nossa mais recente descoberta abriu as portas para uma era de medições de precisão que têm o potencial de descobrir fenômenos ainda desconhecidos. Há todos os motivos para estarmos otimistas de que a física um dia será capaz de explicar por que estamos aqui.

*Marco Gersabeck é professor de física na Universidade de Manchester. A matéria original foi publicada em inglês no The Conversation.

FONTE: REVISTA GALILEU