A teoria sobre o Big Bang relata um evento que ocorreu há aproximadamente 14 bilhões de anos, quando o Universo existia como um ambiente significativamente mais quente. No entanto, os meios para determinar com precisão a verdadeira natureza do Universo durante aquela era distante não estão prontamente disponíveis. Uma máquina do tempo real capaz de transportar indivíduos de volta a esse período ainda não foi desenvolvida. Consequentemente, os cientistas recorreram ao emprego de aceleradores de partículas como uma alternativa viável em sua busca por replicar as condições prevalecentes no início do Universo em um ambiente de laboratório. Por meio desse método, dados valiosos gerados a partir de experimentos em física de partículas podem fornecer informações valiosas sobre os momentos iniciais da existência cósmica.
É imperativo reconhecer as capacidades e as restrições associadas a essa abordagem científica. O conceito do Big Bang envolve uma sequência de épocas, cada uma caracterizada por níveis de energia e temperaturas específicos. No entanto, nem todas essas épocas foram completamente compreendidas. Particularmente, as fases iniciais do Universo continuam escapando à compreensão total, envoltas em um ar de mistério, com nossa compreensão sendo baseada principalmente em conjecturas informadas. No entanto, em uma fração de segundo, as condições predominantes durante o início do Universo passaram por transições rápidas, tornando-se passíveis de análise usando ferramentas tecnológicas contemporâneas.
A operação do Large Hadron Collider (LHC), reconhecido como o acelerador de partículas operacional mais poderoso do mundo, envolve a aceleração de pares de prótons a velocidades próximas à da luz antes de colidi-los de frente. A energia cinética dos prótons é convertida em energia térmica, resultando em temperaturas cem mil vezes mais altas que o núcleo do Sol — temperaturas semelhantes às observadas menos de um trilionésimo de segundo após o início do Universo.
Vários experimentos investigaram o comportamento da matéria à medida que o Universo se expandia e esfriava até um ponto em que os princípios da física de partículas deixaram de ser aplicáveis, marcando o início da era da física nuclear. Quando o Universo tinha apenas alguns minutos, a composição fundamental do Universo e as leis governantes já estavam firmemente estabelecidas. Três minutos após o início do Universo, os núcleos do hidrogênio e do hélio primários que constituíam as estrelas iniciais já haviam se materializado (embora fossem necessários centenas de milhares de anos para que o Universo esfriasse adequadamente para a formação do hidrogênio atômico e do hélio). Posteriormente, após a formação dos átomos, as forças gravitacionais predominaram por milhões de anos, culminando no surgimento das primeiras estrelas — um momento em que a física nuclear assumiu um papel fundamental mais uma vez.
Portanto, quais épocas específicas do início do Universo são examinadas usando aceleradores de partículas? Vamos embarcar na exploração de uma época envolta em compreensão parcial. Em uma conjuntura muito precoce, variando aproximadamente de 10 a 36 a 10 a 32 segundos após o início do Universo, os cosmologistas supõem que uma fase de rápida expansão ocorreu, ultrapassando a velocidade da luz, conhecida como época da inflação. Apesar da presença de evidências circunstanciais substanciais que sustentam essa hipótese, a confirmação definitiva da ocorrência de inflação permanece indefinida. No momento atual, a inflação persiste como uma proposição teórica.
No final do período inflacionário, o cosmos exibiu características de ser quente e denso, apresentando um forte contraste com seu estado atual. As condições prevalecentes no início do Universo eram tais que era excessivamente quente para que a existência de átomos fosse viável. Isso também vale para prótons, nêutrons e quarks, os constituintes fundamentais que residem nos prótons e nêutrons. A crença predominante era que mesmo os conceitos de massa e carga elétrica ainda não haviam surgido durante aquela época. Consequentemente, toda a extensão do Universo estava repleta de partículas altamente energéticas que eram desprovidas de massa.
Os eventos que ocorreram no Universo antes de aproximadamente 10 a 13 segundos permanecem envoltos em incertezas, principalmente devido às limitações tecnológicas que inibem o estudo detalhado desses estágios iniciais. No entanto, com o advento do Large Hadron Collider (LHC), os cientistas ganharam a capacidade de colidir pares de prótons em velocidades próximas à da luz. Prevê-se que os níveis de energia produzidos durante essas colisões reflitam as temperaturas extremas predominantes no Universo cerca de 10 a 13 segundos após seu início.
O aprimoramento em nossa compreensão da evolução do Universo é significativamente reforçado por essa capacidade recém-descoberta. Cerca de 10 a 12 segundos após o início da existência do Universo, um campo de energia crucial chamado campo de Higgs se materializou. Esse campo interagiu com a matéria cósmica e conferiu massa às partículas. Simultaneamente, o conceito de carga elétrica também surgiu. Conseqüentemente, o Universo passou de um reino caracterizado exclusivamente por energia sem massa para um onde partículas que possuem massa, como quarks e léptons, passaram a existir. Atualmente, os quarks estão confinados em prótons e nêutrons, com o elétron sendo um exemplo bem conhecido de lépton. O bóson de Higgs, uma manifestação das vibrações do campo de Higgs, foi detectado com sucesso no ano de 2012.
Durante os estágios iniciais, os quarks não estavam limitados a ficar confinados a prótons e nêutrons, como estão atualmente. Os quarks tinham a liberdade de se mover livremente naquele ambiente de alta temperatura. Dado o intenso calor predominante no início do Universo, prótons e nêutrons foram incapazes de manter sua estrutura; um próton introduzido nesse ambiente essencialmente se desintegraria, permitindo que seus quarks constituintes vagassem sem restrições — da mesma forma que colocar um cubo de gelo em um pavimento escaldante faria com que o gelo derretesse, permitindo que a água fluísse livremente.
Com o passar do tempo, o Universo passou por expansão e resfriamento gradual. Em aproximadamente um milionésimo de segundo (10-6 s), a temperatura havia diminuído o suficiente para evitar que os quarks vagassem livremente por mais tempo. Forças fortes agiram sobre os quarks, obrigando-os a se aglutinar e formar prótons e nêutrons. Elétrons também estavam presentes, ao lado de uma partícula menos familiar conhecida como neutrino. Neutrinos são partículas subatômicas que possuem massa mínima que interagem fracamente com a matéria. Na era contemporânea, eles são gerados durante reações nucleares, exercendo uma influência insignificante na paisagem cósmica. No entanto, durante os estágios iniciais do Universo, de 10 a 6 segundos, a densidade era tão pronunciada que os neutrinos se envolviam em interações relativamente fortes com os prótons, nêutrons e elétrons predominantes.
Quando o Universo atingiu aproximadamente um segundo de idade, a densidade do Universo havia diminuído significativamente, levando a uma situação em que os neutrinos deixaram de interagir com outras formas de matéria. Na verdade, o estado atual do nosso Universo é caracterizado pela presença de neutrinos que se envolveram pela última vez com a matéria apenas um breve segundo após o início do Universo. Experimentos altamente sensíveis em andamento estão em andamento, com o objetivo de serem capazes de identificar esses neutrinos cósmicos primordiais na próxima década.
Ao longo dos minutos subsequentes, a expansão do Universo persistiu, esfriando gradualmente até temperaturas baixas o suficiente para que prótons e nêutrons começassem a se agrupar para gerar núcleos atômicos. Se a densidade do Universo tivesse permanecido alta, teria facilitado a formação de núcleos para todos os elementos conhecidos. No entanto, o rápido declínio na densidade do Universo só permitiu a formação dos núcleos mais simples. Aproximadamente três minutos após o início do Universo, núcleos de hidrogênio (consistindo de prótons individuais) e núcleos de hélio (compreendendo dois prótons e dois nêutrons) se materializaram, ao lado de isótopos escassos de hidrogênio, como deutério e trítio.
Quando passaram três minutos, o Universo era composto por aproximadamente 75% de hidrogênio e 25% de hélio. (Essa proporção é baseada na massa. Se contássemos apenas os núcleos de hidrogênio e hélio, a proporção seria de cerca de 92% de hidrogênio e 8% de hélio; a variação surge devido ao fato de os núcleos de hélio serem quatro vezes mais pesados que o hidrogênio.) Traços de outras substâncias também estavam presentes, embora, na maioria das vezes, todos os elementos restantes só surgissem após sua formação dentro dos núcleos das estrelas.
Portanto, essa narrativa ilustra como os aceleradores de partículas oferecem informações sobre o início do Universo. Em épocas significativamente posteriores (cerca de 380.000 anos após o início do Universo), o Universo havia esfriado adequadamente para que os núcleos de hidrogênio e hélio capturassem elétrons, levando ao surgimento dos primeiros átomos. O relato, no entanto, permaneceu incompleto, pois as forças gravitacionais eventualmente reuniram esses átomos em aglomerados aquecidos que finalmente evoluíram para estrelas e galáxias.
Nossa compreensão da natureza do Universo, desde seu início até apenas alguns minutos após seu nascimento, é notavelmente complexa e baseada em medidas precisas. Mais notavelmente, nossa compreensão não se baseia em conjecturas teóricas, mas sim em medidas complexas e abrangentes. Por meio da utilização de colossais “destruidores de átomos”, os cientistas são proficientes em replicar as condições prevalecentes no início do Universo e observar os mecanismos em jogo.
A busca para desvendar as origens do nosso Universo é antiga, com os primeiros relatos datando de alguns dos escritos mais antigos da humanidade. Por meio de uma fusão de observações astronômicas e experimentos conduzidos em imensos aceleradores de partículas, os cientistas estão gradualmente adquirindo uma compreensão lúcida do início do Universo.
Fonte:
https://bigthink.com/hard-science/how-particle-accelerators-recreate-the-infant-universe/
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Artigo original:
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