O BÓSON DE HIGGS - parte 5 (última)

PERSPECTIVAS CIENTÍFICAS

A existência e a compreensão do bóson de Higgs representam uma possibilidade de compreensão do Universo, do jeito que ele é, por meio de uma profunda investigação da matéria, em busca de como matéria e energia interagem.

O bóson de Higgs aumenta a capacidade de explicarmos o universo pela via analítica e racional, sem apelo ao misticismo religioso e a divindades exóticas.

O próximo passo para o conhecimento será integrar o modelo padrão à força gravitacional, cujo mecanismo no mundo das sub-partículas ainda é desconhecido.

Temos ainda de entender o que é a matéria escura e a energia escura, que representam 23 e 73% do que existe no Universo, sendo que a matéria que vemos (matéria bariônica) é representada por apenas 4% do Universo.

Composição conhecida do Universo

 A energia escura é o que tende a acelerar o Universo, tendo uma forte pressão negativa, com uma forte disputa com a gravidade. No início do Universo, a gravidade assumiu a liderança, dominando a energia escura.

Cerca de 8 bilhões de anos após o Big Bang, com o espaço se ampliando e a matéria se diluindo, as atrações gravitacionais enfraqueceram e a energia escura passou a dominar, acelerando a expansão do Universo.

Assim, daqui a bilhões de anos a energia escura será ainda mais dominante, e o Universo será um verdadeiro deserto cósmico, com as galáxias se distanciando tanto umas das outras que quaisquer seres que viverem dentro delas não serão capazes de ver outras galáxias. 

Ou seja, a expansão do Universo ganhará velocidades maiores que a da luz, o que em nada contradiz a teoria da relatividade especial, pois os limites para a velocidade da luz encontram barreiras dentro dos limites do Universo.

A matéria escura é uma parte do Universo que os astrônomos sabem que existe, mas ainda não sabem exatamente o que seja. É matéria, porque se consegue medir sua existência por meio da força gravitacional que ela exerce. E é escura, porque não emite nenhuma luz.

A matéria escura pode ser detectada por seus efeitos na matéria normal por meio da gravidade (rotação, efeitos de lentes gravitacionais) e pelos raios-X emitidos pela matéria escura quente. Há ainda a matéria escura fria e a morna.

O candidato que compõe essa forma de matéria são os WIMPs - weakly interacting massive particles, partículas que reagem fracamente, por meio de força fraca e da gravidade. 

A mecânica quântica que propõe a existência de múltiplos "universos paralelos". A Interpretação de Muitos Mundos-IMM foi formulada inicialmente por Hugh Everett para a explicação de alguns processos não determinísticos (tais como medição) na mecânica quântica.

O conceito de Multiverso tem suas raízes na moderna Cosmologia e na Teoria Quântica e engloba várias ideias da Teoria da Relatividade de modo que pode ser possível a existência de inúmeros Universos onde todas as probabilidades quânticas de eventos ocorrem. Simplesmente há espaço suficiente para acoplar outros universos numa estrutura dimensional maior: o chamado Multiverso.

Os Universos seriam, em uma analogia, semelhantes a bolhas de sabão flutuando num espaço maior. Alguns seriam até interconectados entre si por buracos negros ou de buracos de minhoca. 

Buraco negro

buraco de minhoca

Quanto aos buracos brancos, são uma das soluções das equações de campo de Einstein, que descrevem a interacção fundamental da gravidade, tal como um resultado do espaço-tempo ser curvado por matéria e energia, mais conhecidas como a máxima extensão da métrica de Schwarzschild que descreve o campo gravitacional externo de uma massa esférica, não carregada e não rotativa.

Buraco branco

A primeira ideia de multiverso é a existência de uma função estado para todo universo a qual obedece a equação de Schrödinger para todo tempo e para a qual não há processo de colapso da onda. A segunda idéia é que este estado universal é uma sobreposição quântica de vários, possivelmente infinitos, estados de idênticos universos paralelos não comunicantes.

Universos paralelos

O Big Bang pode estar fundamentado em um modelo cíclico auto-sustentado, teorizado por Einstein, em um universo de eterna série de oscilações seguintes, cada um começa com um big bang e terminando com um big crunch.

O modelo de Steinhardt-Turok propõe que dois  orbifolds paralelos planos ou M-branas colidem periodicamente num espaço dimensionalmente superior. O universo quadridimensional visível situa-se sobre uma destas branas. 

As colisões correspondem a uma reversão da contração para a expansão, ou um big crunch seguido imediatamente de um big bang. A matéria e radiação que nós vemos hoje seriam geradas durante a mais recente colisão num padrão ditado pelas flutuações quânticas criadas antes pelas branas.

Branas

A matéria e radiação que vemos hoje foram geradas durante a colisão mais recente em um padrão ditado por flutuações quânticas, criadas antes das membranas. Eventualmente, o universo atingiu o estado hoje observado, antes de começar a contrair  novamente bilhões de anos no futuro.

 A energia escura corresponde a uma força entre as membranas, e tem o papel crucial de resolver os problemas de monopolo, horizonte, e de planicidade do Universo.

Embora os ciclos possam continuar indefinidamente para o passado epara o futuro, a solução seja dada por um atrator, ela pode fornecer uma história completa do universo.

Sabemos das relações de dualidade entre as teorias de cordas que a geometria do espaço-tempo não é fundamental nos primórdios do universo, mas ela emerge ao nos aproximarmos de escalas maiores do que o comprimento de Planck.

 

Pouco após a era de Planck, os cosmólogos acreditam que houve um período chamado de inflação. A era inflacionária é um pouco mais fácil de definir do que teoricamente é a era de Planck.

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Ao final da época inflacionária (ver mais aqui), o Universo foi deixado em um estado quântico pequeno, quente e denso. A assim denominada  energia do vácuo dos campos quânticos transformou-se  em uma sopa quente de fótons, glúons e outras partículas elementares e, dentre elas o boson de Higgs.

Era inflacionária

Pelas equações de Einstein da relatividade geral, a expansão do universo acionou-se pela densidade de energia sob a forma de matéria e radiação. Durante a primeira fase do Big Bang, a parte da radiação da densidade de energia é muito maior do que a parte de matéria da densidade de energia . 

A matéria existe, pelo menos por enquanto, sendo que nos primórdios foram criadas matéria e anti-matéria que se aniquilaram, sendo que o que vemos é o resto dessa batalha.

O modelo de Steinhardt-Turok escapa à morte térmica do universo dada pela entropia que tende a crescer em um sistema fechado, pois a expansão se torna líquida a cada ciclo, preveninsdo os problemas acarretads pela entropia.

Mundo das branas

Os problemas desse modelo são os seguintes:

O primeiro é que os teóricos da teoria das cordas não entendem como as branas funcionam e é desconhecido se o espectro de escala invariante será destruído pelo big crunch.

Além disso, como a inflação cósmica, enquanto que o carácter geral das forças (no cenário ekpirótico, uma força entre branas) necessário para criar as flutuações de vácuo é conhecido, não há candidatos iriundos da física de partículas.

O modelo ekpirótico surgiu do trabalho realizado por Neil Turok e Paul Steinhardt. Este modelo  sustenta que o universo não começou em uma singularidade, mas surgiu a partir da colisão de duas branas.

Esta colisão evita a singularidade primordial e expansão superluminal preservando flutuações de densidade quase sem escala e outras características do universo observado. O modelo ekpirótico é cíclico, embora colisões entre branas são raras na escala de tempo da expansão do universo de uma extensão plana quase inexpressiva.

Observações que possam distinguir entre os modelos inflacionários e ekpirótico incluiem a polarização da radiação cósmica de fundo e a distribuição de freqüência do espectro de ondas gravitacionais.  Ver aqui e aqui.

Este modelo tem sua origem na teoria das cordas, que, em sua versão mais antiga, incorporava apenas bósons. Este modelo se expandiu na teoria das supercordas, o qual relaciona os bósons com os férmions, por meio da supersimetria em uma tentativa de explicar todas as partículas e forças fundamentais da natureza numa única teoria, a fim de modelá-las como as vibrações de minúsculas cordas supersimétricas.

Representação de uma corda

É a teoria das cordas bosonicas a qual prevê a existência dos bósons, partículas com valores inteiros de spin em unidades da constante de Planck, que respeita a invariância de Lorentz, uma  simetria observada de espaço-tempo,  ao afirmar não haver preferência de direção no espaço, caso formulada em 26 dimensões.

A teorias de cordas requer  a existência de vários extra-dimensões para o universo, as quais foram compactadas em escalas extremamente pequenas, para além das quatro dimensões do espaço-tempo conhecidos.

A teoria das cordas tem se verificado como uma ferramenta de grande utilidade nos estudos relacionados à teoria de campos quânticos, uma vez que as partículas de um campo de calibre são quirais e se arranjam em três gerações, conforme ocorre com o modelo padrão, o que é alcançado pelas variedades de Calabi-Yau as quais contêm o número certo de "picos" ou "vales".

Alguns modelos contêm partículas de Higgs também, e até mesmo os acoplamentos de  "Yukawa" para o Higgs que dão massa às partículas.

A interacção Yukawa é assim utilizada no modelo padrão para descrever o acoplamento entre o campo de Higgs, o quark sem massa e os campos de Leptons (os férmions fundamentais). Pela  ruptura espontânea de simetria, estes férmions adquirem massa proporcional ao valor da expectativa de vácuo para o campo de Higgs.

Embora deva, portanto, se dizer que existem milhares de variedades de Calabi-Yau que não que reproduzem nada parecido com a estrutura do modelo padrão (ver mais aqui).

As variedades de Calabi-Yau são de grande importancia no estudo da teoria das cordas satisfazem o requisito de espaço para as seis dimensões espaciais "invisíveis" da teoria das cordas, que pode ser menor do que os nossos comprimentos atualmente observáveis , uma vez que eles ainda não foram detectados.

variedades de Calabi-Yau

É no modelo do mundo das branas que ocorre a grande quantidade de dimensões extras das variedades de Calabi-Yau. Porém, estão confinadas em um pequeno subconjunto que intercepta as D-branas.

 CONCLUSÃO: 

No cenário da teoria das cordas, o bóson de Higgs nada mais é que uma corda vibrante representativa de uma das partículas do modelo padrão, predita por este modelo.

A matéria

Todos os modelos realistas da teoria das cordas que estão ou estavam tentando descrever o Universo que nos rodeia contém um campo de Higgs e um bóson de Higgs. A teoria das cordas parecia incompatível com todas as alternativas.

A descoberta do bóson de Higgs é uma vitória para a teoria das cordas (aqui) e uma confirmação de uma de suas previsões (uma previsão relativamente incontroversa), que se refere aos campos escalares - uma ampla família de áreas afins para o campo de Higgs (campos com spin nulo) que embora genéricos são muito importantes na teoria das cordas.

O conhecimento é, sem sombra de dúvida, a maior aventura humana, e a descoberta do bóson de Higgs é parte desta aventura, sendo que ainda faltam descobris os outros 23% que representam a matéria escura e os outros 77% da energia escura (a ser atingida com a quebra de simetria da teoria das cordas).