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Bóson de Higgs poderia explicar o domínio da matéria

Uma nova teoria sugere que o campo de Higgs variava no início do Universo, dando à matéria uma chance para escapar da antimatéria

CERN
Simulação computadorizada de rastros de partículas em uma colisãodo LHC que produziu o bóson de Higgs.

 

 
Por Clara Moskowitz

As estrelas, os planetas, e até eu e você, poderiam muito bem ser feitos de antimatéria, mas não são. Alguma coisa aconteceu no início da história do Universo, dando uma vantagem para a matéria e deixando um mundo de coisas construídas a partir de átomos e poucos traços da antimatéria, que já foi farta, mas que atualmente é rara. Uma nova teoria publicada em 11 de fevereiro no periódico Physical Review Letters sugere que o bóson de Higgs, recentemente descoberto, pode ser a partícula responsável por isso – mais especificamente, o campo de Higgs associado à partícula.

Acredita-se que o campo de Higgs permeie todo o espaço e conceda massa às partículas que passam por ele, da mesma maneira que ovos de Páscoa ficam coloridos quando mergulhados em um corante líquido. Se o campo de Higgs começou com um valor muito alto no início do Universo e foi diminuindo até seu valor atual, ele pode ter diferenciado brevemente as massas de partículas e de suas antipartículas no caminho – uma anomalia, porque atualmente a antimatéria é caracterizada por ter a mesma massa, mas carga oposta à de sua contraparte de matéria. Essa diferença de massa, por sua vez, poderia ter aumentado a probabilidade de partículas de matéria se formarem nos primeiros dias do Cosmos, produzindo o excesso de matéria que vemos atualmente em relação à antimatéria. “Essa é uma boa ideia que merece mais estudo”, declara o físico Kari Enqvist da Universidade de Helsinki, que não se envolveu no novo estudo mas que também pesquisou a possibilidade de o campos de Higgs ter diminuído com o passar do tempo. “Existe uma probabilidade muito alta de que o campo de Higgs tivesse um grande valor inicial logo após a inflação”.

A inflação do Universo

Em teoria, a inflação foi a época inicial do Universo em que o espaço-tempo se expandiu rapidamente. “A inflação tem uma propriedade muito particular: ela permite que campos saltem por aí”, explica o líder do estudo, Alexander Kusenko da University of California, Los Angeles. Durante a inflação, que alterou radicalmente o Universo em muito menos de um segundo, o campo de Higgs pode ter saltado de um valor para outro devido a flutuações quânticas e poderia ter ficado preso em um valor muito alto quando a inflação acabou. A partir daí, ele teria se acomodado em seu valor mais baixo, de “equilíbrio”. No entanto, enquanto seu valor mudava constantemente, isso poderia ter dado massas diferentes a partículas de matéria e antimatéria. Como partículas mais leves precisam de menos energia para se formar, elas surgiam com mais frequência. Assim, se a matéria fosse mais leve, ela poderia ter rapidamente se tornado mais numerosa.

A razão para o campo de Higgs ter tanta facilidade em saltar por aí durante a inflação é que a massa medida do bóson de Higgs, a partícula associada com o campo, é relativamente baixa. O bóson apareceu em 2012 dentro do Grande Colisor de Hádrons (LHC), na Suíça, revelando que sua massa era de aproximadamente 126 GeV (giga-elétron volts), ou cerca de 118 vezes a massa do próton.

De acordo com várias teorias, isso é um pouco mais leve do ele que poderia ter sido. Pense no campo de Higgs como sendo um vale entre duas colinas. O valor do campo é semelhante à elevação do vale, e a massa do bóson determina a inclinação das colinas. “Se você tiver um vale muito curvado, então provavelmente terá colinas bem íngremes”, observa Kusenko. “Foi isso que descobrimos. Esse valor nos diz que as colinas não são muito íngremes – e isso significa que o campo de Higgs poderia saltar por aí e ir bem longe”, até outros vales com elevações maiores. Enqvist concorda que o Higgs poderia ter começado com um peso muito menor que o atual. Agora, se foi isso que fez com que a matéria se separasse da antimatéria, “já é uma questão mais especulativa”, pondera ele.   

Uma nova partícula

Essa separação dependeria da presença de uma partícula teórica que até agora não foi detectada: um neutrino de Majorana pesado. Neutrinos são partículas fundamentais que vêm em três sabores (elétron, múon e tau). Mas também pode existir um quarto neutrino muito mais pesado que os outros e, portanto, mais difícil de detectar (porque quanto mais pesada uma partícula, mais energia um colisor precisa produzir para criá-la). Essa partícula teria a estranha virtude de ser sua própria parceira de antimatéria. Em vez de terem uma versão de matéria e uma de antimatéria, os neutrinos de Majorana seriam uma partícula única.

Essa qualidade dúbia teria transformado os neutrinos em uma ponte que permitiria que partículas de matéria se transformassem em partículas de antimatéria e vice-versa no Universo primitivo. Leis quânticas permitem que partículas se transformem em outras partículas durante breves momentos. Normalmente, é proibido que partículas se convertam entre matéria e antimatéria. Mas se uma partícula de matéria, como um neutrino do antielétron por exemplo, se transformasse em um neutrino de Majorana, ele deixaria de saber se era matéria ou antimatéria e poderia facilmente se converter em um neutrino do elétron ou voltar à sua forma original de neutrino do antielétron. E se esse neutrino fosse mais leve que o antineutrino, devido à variação do campo de Higgs, então o neutrino seria um resultado mais provável – possivelmente dando uma vantagem à matéria.

“Se for verdade, isso resolveria um grande mistério da física de partículas”, declara o físico Don Lincoln do Fermilab no estado de Illinois, que não se envolveu no estudo. Mas o neutrino de Majorana “é completamente especulativo e ainda não foi descoberto, mesmo que os experimentos do LHC tenham um vigoroso programa de pesquisa para procurá-lo. Pesquisadores certamente manterão essa ideia em mente enquanto vasculham os novos dados que o LHC começará a produzir no início do verão boreal deste ano”.  

Kusenko e seus colegas também tem outra esperança para conseguir mais apoio para sua teoria. O processo do campo de Higgs que eles imaginam poderia ter criado campos magnéticos com propriedades particulares que ainda habitariam o Universo atualmente – e, se for o caso, podem ser detectáveis. Se encontrados, a existência desses campos forneceria evidência de que o campo de Higgs realmente reduziu seu valor há muito tempo. Os cientistas estão tentando calcular exatamente quais seriam as propriedades do campo magnético, e se experimentos têm uma esperança plausível de observá-los, mas a opção levanta a tentadora esperança de que sua teoria poderia ter consequências testáveis – e talvez uma chance de finalmente resolver o mistério da antimatéria.

Publicado por Scientific American em 20 de fevereiro de 2015