Outros patches no multiverso teriam, em vez disso, encontraram seus fins.

Os físicos propuseram que nosso universo pode ser um pequeno pedaço de um cosmos muito maior que está constantemente e rapidamente inflando e surgindo novos universos. Em nosso canto deste multiverso, a massa do bóson de Higgs era baixa o suficiente para que esse trecho não colapsasse como outros podem ter. Crédito da imagem: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images

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O bóson de Higgs, a misteriosa partícula que dá massa a outras partículas, poderia ter evitado o colapso do nosso universo. E suas propriedades podem ser uma pista de que vivemos em um multiverso de mundos paralelos, sugere uma nova teoria.

Essa teoria, na qual diferentes regiões do universo têm diferentes conjuntos de leis físicas, sugeriria que apenas mundos nos quais o bóson de Higgs é minúsculo sobreviveriam.

Se for verdade, o novo modelo implicaria na criação de novas partículas, o que, por sua vez, explicaria por que a força forte, que em última análise impede que os átomos entrem em colapso, parece obedecer a certas simetrias. E ao longo do caminho, pode ajudar a revelar a natureza da matéria escura, a substância indescritível que compõe a maior parte da matéria.

Um conto de dois Higgs

Em 2012, o Grande Colisor de Hádrons alcançou um feito verdadeiramente monumental; este acelerador de partículas subterrâneo ao longo da fronteira franco-suíça detectou pela primeira vez o bóson de Higgs, uma partícula que iludiu os físicos por décadas. O bóson de Higgs é a pedra angular do Modelo Padrão; esta partícula dá a outras partículas sua massa e cria a distinção entre a força nuclear fraca e a força eletromagnética.

Mas com as boas notícias vieram algumas más. O Higgs tinha uma massa de 125 gigaelétron-volts (GeV), que era ordens de magnitude menor do que os físicos pensavam que deveria ser.

Para ser perfeitamente claro, a estrutura que os físicos usam para descrever o zoológico de partículas subatômicas, conhecido como Modelo Padrão, na verdade não prevê o valor da massa de Higgs. Para que essa teoria funcione, o número deve ser derivado experimentalmente. Mas os cálculos do verso do invólucro fizeram os físicos conjeturar que o Higgs teria uma massa incrivelmente grande. Então, uma vez que o champanhe foi aberto e os prêmios Nobel foram entregues, surgiu a questão: por que o Higgs tem uma massa tão baixa?

Em outro problema, inicialmente não relacionado, a força forte não está se comportando exatamente como o Modelo Padrão prevê que deveria. Na matemática que os físicos usam para descrever interações de alta energia, existem certas simetrias. Por exemplo, há a simetria de carga (mude todas as cargas elétricas em uma interação e tudo funciona da mesma forma), a simetria de tempo (execute uma reação para trás e será a mesma coisa) e a simetria de paridade (inverta uma interação ao redor para sua imagem espelhada e será a mesma).

Em todos os experimentos realizados até o momento, a força forte parece obedecer à simetria combinada de reversão de carga e reversão de paridade. Mas a matemática da força forte não mostra essa mesma simetria. Nenhum fenômeno natural conhecido deve impor essa simetria e, no entanto, a natureza parece estar obedecendo a ela. Como proposto?

Uma questão de multiversos

Um par de teóricos, Raffaele Tito D'Agnolo da Comissão Francesa de Energias Alternativas e Energia Atômica (CEA) e Daniele Teresi do CERN, imaginam que esses dois problemas podem estar relacionados. Em um artigo publicado em janeiro na revista Physical Review Letters, eles delinearam sua solução para os dois enigmas.

A solução deles: O universo nasceu assim.

Eles invocaram uma ideia chamada multiverso, que nasceu de uma teoria chamada inflação. A inflação é a ideia de que nos primeiros dias do Big Bang, nosso cosmos passou por um período de expansão extremamente intensificada, dobrando de tamanho a cada bilionésimo de segundo.

Os físicos não sabem exatamente o que motivou a inflação ou como ela funcionava, mas uma consequência da ideia básica é que nosso universo nunca parou de inflar. Em vez disso, o que chamamos de "nosso universo" é apenas um pequeno pedaço de um cosmos muito maior que está inflando constante e rapidamente e constantemente surgindo novos universos, como escumante espumoso em sua banheira.

Diferentes regiões deste "multiverso" terão valores diferentes da massa de Higgs. Os pesquisadores descobriram que universos com uma grande massa de Higgs entram em colapso catastroficamente antes de terem a chance de crescer. Apenas as regiões do multiverso que têm baixas massas de Higgs sobrevivem e têm taxas de expansão estáveis, levando ao desenvolvimento de galáxias, estrelas, planetas e, eventualmente, colisores de partículas de alta energia.

Para fazer um multiverso com massas de Higgs variadas, a equipe teve que introduzir mais duas partículas na mistura. Essas partículas seriam novas adições ao Modelo Padrão. As interações dessas duas novas partículas definem a massa do Higgs em diferentes regiões do multiverso.

E essas duas novas partículas também são capazes de fazer outras coisas.

Hora de um teste

As partículas recém-propostas modificam a força forte, levando à simetria de paridade de carga que existe na natureza. Elas agiriam como um áxion, outra partícula hipotética que foi introduzida na tentativa de explicar a natureza da força forte.

As novas partículas também não têm um papel limitado ao universo primitivo. Elas ainda podem estar habitando o cosmos atual. Se uma de suas massas forem pequenas o suficiente, ela poderia ter escapado da detecção em nossos experimentos com aceleradores, mas ainda estaria flutuando no espaço.

Em outras palavras, uma dessas novas partículas pode ser responsável pela matéria escura, o material invisível que compõe mais de 85% de toda a matéria do universo.

É uma sugestão ousada: Resolver dois dos maiores desafios da física de partículas e também explicar a natureza da matéria escura.

Poderia uma solução realmente ser tão simples? Por mais elegante que seja, a teoria ainda precisa ser testada. O modelo prevê um certo alcance de massa para a matéria escura, algo que experimentos futuros que estão em busca de matéria escura, como a instalação subterrânea do Super Cryogenic Dark Matter Search, pode determinar. Além disso, a teoria prevê que o nêutron deve ter uma assimetria pequena, mas potencialmente mensurável nas cargas elétricas dentro do nêutron, uma diferença das previsões do Modelo Padrão.

Infelizmente, vamos ter que esperar um pouco. Cada uma dessas medições levará anos, se não décadas, para efetivamente descartar, ou apoiar, a nova ideia.

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Referência:

SUTTER, Paul. The Higgs boson could have kept our universe from collapsing. Live Science, 24, jan. 2022. Disponível em: <https://www.livescience.com/higgs-particle-universe-collapse-in-multiverse>. Acesso em: 26, jan. 2022.