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Modelo Padrão e o Universo Primordial: Assimetria matéria-antimatéria

    A assimetria entre a matéria e antimatéria é um das questões mais intrigantes do nosso Universo. Grande parte da matéria conhecida no universo é constituida de bárions, não havendo praticamente nenhum antibárion. Esta assimetria é intrigante pois todos os processos observados experimentalmente até hoje conservam o número bariônico B, ou seja, produzem bárions e antibárions em quantidades iguais.

    Enquanto o número bariônico é conservado no Modelo Padrão, alguns efeitos perturbativos o violam às altas temperaturas. Deste modo o Modelo Padrão pode explicar a assimetria bariônica apenas se alguma parte da teoria for modificada dando uma clara indicação de uma nova física está para surgir próxima e acima da escala da força eletrofraca.

    Mas como sabemos que o Universo não é simétrico com relação à matéria e antimatéria?

    Isto pode ser respondido do seguinte modo: A Lua é composta de matéria, pois o ser humano já esteve lá e não sofreu aniquilação; O vento solar, partículas emitidas pelo Sol, são matéria pois interagiram com a matéria dos laboratórios na Terra sem sofrer aniquilação; Já foram enviados várias sondas aos diversos planetas do Sistema Solar e seu funcionamento demonstra que são constituídos de matéria; Os raios cósmicos trazem material de várias partes da Via-Láctea e foi observado que a relação de bárions e antibárions é da ordem de 10⁴ para 1; Se houvessem Galáxias de antimatéria, então seria possível observar emissões gama advindas de aniquilações. A sua ausência é uma forte evidência de que, pelo menos, o Grupo Local é constituído de matéria. Em uma escala maior, pouco sabemos. Entretanto existe um problema chamado “catástrofe de aniquilação” que provavelmente elimina a possibilidade de existir uma simetria entre matéria e antimatéria. Essencialmente, a causalidade proíbe a separação de grandes quantidades de matéria e antimatéria a uma velocidade tal que coexistam sem que se aniquilem entre si. Deste modo, podemos concluir que Universo é dominado pela matéria.

    Assim, é provável que a natureza tenha, de algum modo, favorecido a criação de matéria em detrimento da antimatéria no Big Bang indicando que ela trata a matéria e antimatéria diferentemente. Com isto, seria possível que uma pequena fração de matéria criada inicialmente tenha sobrevivido e formado o Universo que conhecemos.

    Em 1967, Andrei Sakharov enumerou três condições necessárias para a ocorrência da bariogênese:

1- Violação da conservação do número bariônico.

Se houvesse tal conservação haveria simetria entre matéria e antimatéria. Uma grande implicação da violação da conservação do número bariônico é o decaimento do próton.

A estimativa para sua ocorrência é da ordem de 10³² anos, mas apesar de vários experimentos estarem atualmente em andamento, nenhuma ocorrência foi observada.

Assim, o Modelo Padrão é alterado de tal modo que os efeitos quânticos permitam que o Universo utilize a energia do vácuo, dentro dos limites do princípio de incerteza, para que haja a violação da conservação do número bariônico. Entretanto, tal violação é fortemente suprimida a energias abaixo de 10 TeV o que, atualmente, dificulta a comprovação experimental.

2- Violação C e CP.

Mesmo na presença de reações com a violação do número bariônico, sem a preferência de matéria sobre a antimatéria, estas reações se dariam em ambas as direções deixando pouca matéria em excesso. Tal preferência pôde primeiramente ser demonstrada experimentalmente observando os decaimentos das partículas káon (méson composto de quark down e antiquark strange) e antikáon onde foi constatado a violação CP.

3- Não-equilíbrio termodinâmico.

O esfriamento do Big Bang ocorreu fora do equilíbrio térmico, ou seja, partes do Universo se resfriaram mais rapidamente que em outras proporcionando condições para a assimetria entre a matéria e a antimatéria. Ou seja, a simetria CPT garante que massas iguais de bárions e antibárions levam necessariamente a reações que corrigem qualquer assimetria entre matéria e antimatéria. Assim sendo, deve existir uma violação da simetria CPT.

    Modelo Padrão admite que exista a violação de CP. Há indícios, entretanto, de que o grau máximo desta violação nesse Modelo não seja grande o suficiente para explicar o desequilíbrio entre matéria e antimatéria. Em outras palavras, suspeita-se que o Modelo Padrão preveja menos matéria do que aquela que é observada no universo. E isso, claro, poderia criar certas dificuldades para o Modelo.

    Assim, os experimentos devem mostrar se o Modelo Padrão deve ser corrigido ou deixado de lado, para dar lugar a outro modelo. E nos permitir entender uma questão essencial para a compreensão das leis da natureza e da existência do universo: por que a natureza prefere a matéria à antimatéria?

26 abril 2006 Escrito por Norberto Kawakami | Cosmologia | 3 comentários

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