Enquanto os físicos continuam sua luta para encontrar e explicar a origem da matéria escura, aproximadamente 80% da matéria no universo que não podemos ver e até agora não fomos capazes de detectar, os pesquisadores agora propuseram um modelo onde ela é produzida antes do Big Bang.
A ideia deles é que a matéria escura seria produzida durante uma fase inflacionária infinitesimalmente curta, quando o tamanho do universo se expandiu exponencialmente. O novo modelo foi publicado na Physical Review Letters por três cientistas do Texas, nos EUA.
Uma ideia intrigante entre os cosmólogos é que a matéria escura foi produzida por meio de sua interação com um banho termal de algumas espécies, e sua abundância é criada por "congelamento" ou "congelamento". No cenário de congelamento, a matéria escura está em equilíbrio químico com o banho nos primeiros momentos - a concentração de cada um não muda com o tempo.
Na imagem congelada, a matéria escura nunca entra em equilíbrio com o banho. Essa interação suprimida entre a matéria escura e o banho térmico pode ser devido a interações nas teorias quânticas de campo, seja o congelamento infravermelho ou o ultravioleta.
No congelamento UV, a temperatura do banho térmico é sempre menor do que as massas das partículas que conectam a matéria escura ao Modelo Padrão da física de partículas. (Massa e temperatura são proporcionais à energia e podem ser relacionadas por meio de constantes fundamentais.)
A teoria da inflação foi desenvolvida há cerca de 45 anos, propondo um período de expansão exponencialmente rápida no universo primitivo, onde o universo se expandiu por um fator de cerca de 1026 em 10-36 Segundos. (Depois que a inflação cessou, o universo continuou a se expandir, embora não exponencialmente.)
Bilhões de anos depois, a energia escura iniciou a aceleração que vemos hoje.) A ideia da inflação explica ordenadamente muitos quebra-cabeças da cosmologia, como o problema da planicidade, o problema da homogeneidade e o problema do monopolo, e explica a origem da estrutura no universo como flutuações quânticas que foram enormemente ampliadas.
Embora a inflação seja aceita principalmente pelos cosmólogos como parte do quadro do Big Bang com base em algumas evidências (embora haja dissidência significativa), o impulsionador da inflação ainda é desconhecido.
Os cosmólogos se referem a ele genericamente como o inflaton, um campo hipotético que abrange todo o espaço-tempo de alguma partícula escalar (spin zero), talvez o campo de Higgs. (Talvez não.) A inflação ocorre tão rapidamente que o universo está em uma expansão super-resfriada, onde a temperatura cai por um fator de aproximadamente 100.000.
Essa baixa temperatura persiste durante o estágio inflacionário. Quando a inflação termina, a temperatura retorna à temperatura pré-inflacionária, um processo chamado reaquecimento, e o campo de inflaton decai nas partículas do Modelo Padrão, incluindo fótons.
A pesquisa mostrou que o banho pode atingir temperaturas muito mais altas do que a temperatura de reaquecimento e, para o congelamento ultravioleta, a quantidade de matéria escura produzida depende da temperatura mais alta do banho termal.
Mas até o momento a pesquisa não considerou a possibilidade de que uma parte significativa da matéria escura pudesse ser produzida durante a expansão inflacionária e não ser diluída.
No modelo WIFI do artigo - Inflação Quente via Freeze-In ultravioleta - a matéria escura é criada por meio de pequenas e raras interações com partículas em um ambiente quente e energético. Ele contém um novo mecanismo em que essa produção ocorre pouco antes do Big Bang, durante a inflação cósmica, levando a matéria escura a ser formada muito mais cedo do que nas teorias existentes por meio do congelamento.
Embora pareça incomum, muitos cosmólogos agora pensam que a inflação aconteceu antes do Big Bang, já que a existência de uma singularidade do Big Bang com densidade infinita e curvatura infinita do espaço-tempo parece irreal.
Em vez disso, o universo teria um tamanho pequeno após a inflação, cerca de 10-26 metros de diâmetro, e a partir daí ocorreriam as etapas padrão de radiação e produção de partículas, então a nucleossíntese ocorreria para povoar o universo.
Os teóricos propuseram uma perspectiva diferente sobre o papel da inflação no papel da matéria escura por meio de um congelamento.
"O que é único em nosso modelo é que a matéria escura é produzida com sucesso durante a inflação", disse Katherine Freese, diretora do Instituto Weinberg de Física Teórica e do Centro de Cosmologia e Física de Astropartículas do Texas da Universidade do Texas em Austin e principal autora do artigo. "Na maioria dos [outros] modelos, qualquer coisa que é criada durante a inflação é então 'inflada' pela expansão exponencial do universo, a ponto de não sobrar essencialmente nada."
Nesse novo mecanismo, toda a matéria escura que observamos hoje poderia ter sido criada durante aquele breve período de inflação pré-Big Bang. O campo quântico que impulsiona a inflação, o inflaton, perde parte de sua energia para a radiação, e essa radiação, por sua vez, produz partículas de matéria escura por meio do mecanismo de congelamento. O que era antes da inflação? Os físicos não têm ideia.
O modelo WIFI ainda não pode ser confirmado por observações. Mas uma parte fundamental do cenário, a inflação quente, será testada na próxima década pelos chamados experimentos cósmicos de fundo em micro-ondas. Confirmar a inflação quente seria um passo significativo para o cenário de produção de matéria escura do modelo WIFI.
"Em nosso estudo, nos concentramos na produção de matéria escura, mas o WIFI sugere uma aplicabilidade mais ampla", disse Barmak Shams Es Haghi, co-autor do artigo junto com Gabriele Montefalcone, "como a produção de outras partículas que poderiam desempenhar um papel crucial na evolução do universo primitivo. Isso destaca novas oportunidades de exploração em pesquisas futuras.
🔹 MAIS INFORMAÇÕES: Katherine Freese et al, Produção de matéria escura durante a inflação quente via congelamento, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.211001
Informações da revista: Physical Review Letters
🌏 Créditos/fonte/Publicação: por David Appell, Phys.org
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