O Nascimento do Universo

Como veio a ser o Universo?

A física das partículas está em tempo de crise? Keith Baker, físico do Thomas Jefferson National Accelerator Facility, vê nele um período de oportunidade para descrever novos fenômenos.
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De acordo com as teorias modernas da evolução cósmica, o universo começou com uma explosão singular, seguida por uma explosão de expansão inflacionária. Para compreender a inflação é necessário avanços na nossa compreensão da física fundamental, da gravidade quântica e da derradeira teoria unificada. Embora as condições inflacionárias sejam demasiado elevadas em energia para se reproduzir na Terra, podemos observar as suas assinaturas, transmitidas ao longo dos eons pela sua impressão na matéria relíquia que ainda podemos detectar a partir dessa época.
Na sequência da inflação, as condições do universo primitivo ainda eram tão extremas que podiam combinar partículas elementares em novas fases da matéria. À medida que o Universo se expandia e arrefecia, as transições aconteciam à medida que a matéria mudava de uma fase para outra, como o vapor condensando em água. Algumas dessas transições de fase podem ter sido os acontecimentos mais dramáticos da história cósmica, moldando a evolução do Universo e deixando relíquias observáveis hoje em dia. As transições de fase cósmica poderiam ser recriadas em experiências com aceleradores de alta energia.

Ferramentas para uma revolução científica

De acordo com as teorias atuais da evolução cósmica, o universo começa com uma “singularidade inicial”, um ponto onde todas as leis conhecidas da física se quebram. Esta singularidade produziu um universo delicadamente equilibrado, como um lápis tão precisamente equilibrado no seu ponto que se mantém na vertical durante 14 bilhões de anos. Como é que o universo chegou a tal estado? Como é que chegou a ser tão velho? Por que não se separou ainda mais ou se desmoronou sobre si mesmo?

Nas últimas duas décadas, a teoria da inflação cósmica tem oferecido uma explicação convincente para o início do big bang. De acordo com esta teoria, uma fase inicial de expansão acelerada deu origem ao universo equilibrado que vemos hoje. A inflação cósmica é a mão que equilibrou o lápis no seu ponto. Como subproduto, ela também produziu as sementes que evoluíram para estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias e outras estruturas no Universo.

A inflação cósmica apresenta desafios relacionados com as questões fundamentais deste relatório. Uma possibilidade é que a inflação cósmica se originou com uma forma de energia escura, semelhante à energia escura observada hoje em dia. Em caso afirmativo, que tipo de matéria a produziu? Esta forma de matéria desempenha algum papel na unificação? Como ela se relaciona com dimensões extras? Ainda mais radical é a possibilidade de que o espaço e o tempo mudaram a sua natureza no início do big bang. Será que a teoria das cordas suaviza a singularidade inicial? Que modelo é que a natureza realmente escolheu?

No momento, as medidas das flutuações no fundo de microondas cósmicas (CMB), especialmente da WMAP, fornecem a melhor evidência a favor da inflação. As restrições aos parâmetros cósmicos, como a curvatura do universo e a natureza da estrutura cósmica, estão em ampla concordância com as previsões da teoria da inflação. Eventualmente, medições da polarização da CMB podem permitir a detecção das assinaturas das ondas gravitacionais produzidas durante a época da inflação, o que poderia fornecer informações sobre a natureza do campo escalar que produziu a inflação.

Após o big bang, o universo se expandiu e esfriou para atingir seu estado atual. Ao longo do caminho, o universo passou por uma série de transições de fase em que várias partículas congelaram, à medida que a água se transforma em gelo à medida que arrefece. Estas transições de fase conduziram a algumas das épocas mais importantes da história cósmica. Por exemplo, uma transição de fase pode ter sido o que impulsionou a inflação cósmica. As transições de fase podem produzir “defeitos cósmicos”, tais como cordas e textura e outras formas exóticas de matéria, que podem explicar os raios cósmicos de energia ultra-alta, a matéria escura e talvez até mesmo a energia escura.

As experiências no LHC continuarão a iluminar a transição de fase electroweak, onde a maioria das partículas conhecidas adquiriram as suas massas. Uma melhor compreensão desta transição de fase permitirá que os cientistas se aproximem mais do próprio big bang. De fato, é provável que a transição de fase de eletroweak seja a fonte final da assimetria matéria-antimatéria que vemos hoje no universo. Descobertas de novas partículas e novas interações irão iluminar esta história e determinar se ela está correta. Além disso, o relato da evolução cósmica deve incorporar quaisquer descobertas de novas simetrias ou novas dimensões.

Actualmente, a transição de fase cósmica mais intensamente estudada está ligada à cromodinâmica quântica (QCD), a teoria da força nuclear. Durante a transição de fase QCD, a matéria bariónica no actual universo condensou a partir de um estado plasmático de quarks e gluões. A instalação de Colisão Relativista de Íons Pesados (RHIC) no BNL está atualmente criando colisões de íons pesados para estudar o plasma de quark-gluon; o experimento ALICE no LHC investiga o plasma de quark-gluon em energias e temperaturas mais altas. As Instalações Computacionais Lattice permitirão cálculos que aprofundarão a compreensão dos dados RHIC e as condições durante esta época na evolução do universo inicial.

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