As Grandes Perguntas é uma minissérie que explora como a tecnologia está ajudando a investigar algumas das questões mais profundas e instigantes de nossa existência.
Por que o universo não é entediante? Poderia ser. O número de partículas subatômicas no universo é cerca de 1080, um 1 com 80 zeros depois dele. Se essas partículas fossem espalhadas aleatoriamente, o universo seria apenas um deserto monótono de mesmice, um vácuo fino sem nenhuma estrutura muito maior do que um átomo por bilhões de anos-luz em qualquer direção. Em vez disso, temos um universo repleto de estrelas e planetas, cânions e cachoeiras, pinheiros e pessoas. Há uma abundância exuberante na natureza. Mas por que todas essas coisas estão aqui?
Os cosmólogos reuniram uma resposta para essa pergunta ao longo do último meio século, usando uma variedade de experimentos e instrumentos de observação cada vez mais complexos. Mas, como quase sempre acontece na ciência, essa resposta é incompleta. Agora, com novos experimentos de sensibilidade impressionantes, os físicos esperam detectar um evento nunca antes visto que poderia explicar um dos grandes mistérios remanescentes dessa história: por que havia matéria para formar coisas complicadas em primeiro lugar.
O interesse do mundo ao nosso redor é ainda mais intrigante quando se observa o universo em escalas maiores. Você encontra aglomerados estruturados por um tempo. As estrelas formam galáxias, as galáxias formam aglomerados de galáxias, e esses aglomerados formam superaglomerados, filamentos e paredes em torno de grandes vazios cósmicos quase vazios de matéria.
Mas quando você diminui o zoom ainda mais, observando partes do universo com mais de 300 milhões de anos-luz de largura, toda essa estrutura desaparece. Após esse ponto, a luz de todas as estrelas do cosmos se funde em um borrão indistinto, e o universo de fato parece muito semelhante em todas as direções, sem nenhuma característica ou diferença digna de nota. Os cosmólogos chamam isso de “fim da grandeza”.
Essa paisagem cósmica entediante existe porque o universo realmente já foi entediante. Logo após o Big Bang, e por centenas de milhares de anos depois disso, ele era implacavelmente monótono. Tudo o que existia era uma espessa névoa incandescente de partículas, que se estendia por trilhões e trilhões de quilômetros e preenchia cada ponto do universo quase uniformemente, com diferenças minúsculas na densidade da matéria entre um ponto e outro.
Mas, à medida que o universo se expandia e esfriava, a gravidade amplificava essas pequenas diferenças. Lentamente, ao longo dos milhões e bilhões de anos seguintes, os lugares no universo com um pouco mais de material atraíram ainda mais material. E foi daí que viemos – a profusão de coisas no universo atual acabou surgindo à medida que mais e mais material se acumulava, transformando aquelas regiões ligeiramente densas em lugares radicalmente complicados, repletos de matéria suficiente para formar estrelas, galáxias e nós. Nas escalas mais amplas, o tédio ainda reina, como tem acontecido desde o início dos tempos. Mas aqui embaixo, na sujeira, há uma grande variedade.
Essa história ainda tem algumas lacunas. Em primeiro lugar, não está claro de onde veio a matéria. A física de partículas exige que qualquer coisa que crie matéria também deve criar uma quantidade igual de antimatéria, conservando cuidadosamente o equilíbrio entre as duas. Todo tipo de partícula de matéria tem um gêmeo de antimatéria que se comporta como matéria em quase todos os aspectos. Mas quando uma partícula de matéria entra em contato com sua contraparte de antimatéria, elas se aniquilam, desaparecendo e deixando para trás nada além de radiação.
Foi exatamente isso que aconteceu logo após o Big Bang. A matéria e a antimatéria se aniquilaram, deixando nosso universo incandescente com radiação – e uma pequena quantidade de matéria restante, que havia excedido ligeiramente a quantidade de antimatéria no início. Esse pequeno descompasso fez a diferença entre o universo que temos hoje e uma eternidade de tédio, e não sabemos por que isso aconteceu. “De alguma forma, houve esse pequeno desequilíbrio e ele se transformou em tudo, ou seja, em nós. Eu realmente me preocupo conosco”, diz Lindley Winslow, física experimental de partículas do MIT. “Temos muitas perguntas sobre o universo e como ele evoluiu. Mas essa é uma pergunta bem básica, do tipo jardim de infância: por que estamos aqui?”
Pego no ato
Para responder a essa pergunta, Winslow e outros físicos ao redor do mundo construíram vários experimentos para capturar a natureza no ato de violar o equilíbrio entre matéria e antimatéria. Eles esperam ver essa violação na forma de decaimento duplo beta sem neutrinos, um tipo de decaimento radioativo. No momento, esse processo é teórico – pode não acontecer de forma alguma. Mas, se ocorrer, fornecerá uma possível explicação para o desequilíbrio entre matéria e antimatéria no universo primitivo.
Essa explicação se basearia nos neutrinos, as bolas estranhas fantasmagóricas da física de partículas. Esses espectros leves zunem pelo universo, quase não interagindo com nada. Trilhões de neutrinos passam constantemente por cada centímetro quadrado do seu corpo e por todo o planeta Terra, ignorando-o tão completamente quanto ignoram o núcleo de ferro do nosso planeta. Para parar de forma confiável apenas um neutrino, seria necessária uma placa de chumbo de um ano-luz de espessura.
E os neutrinos podem realizar um truque ainda mais bizarro. O neutrino e seu parceiro de antimatéria poderiam ser um e o mesmo, tornando-o diferente de todas as outras formas conhecidas de matéria e capaz de se aniquilar. “Se observarmos [o decaimento duplo beta sem neutrino], isso provaria que o neutrino é sua própria antipartícula”, diz Winslow. “Isso também nos forneceria um processo que produz mais matéria do que antimatéria.”
Esse processo começa no coração do átomo. Quando alguns núcleos atômicos instáveis decaem, eles emitem um elétron junto com um antineutrino para contrabalançar: uma partícula de matéria e uma de antimatéria. Esse é um tipo muito comum de decaimento radioativo, conhecido por razões históricas como decaimento beta. Muito menos comum é o decaimento beta duplo, quando um núcleo atômico emite dois elétrons de uma só vez, juntamente com dois antineutrinos para equilibrá-los.
O decaimento duplo beta é “um dos processos mais longos que já medimos”, diz Winslow. Para ver um único átomo sofrer decaimento duplo beta, continua ela, normalmente teríamos que esperar um bilhão de vezes mais do que a idade atual do universo. Mas se o neutrino for sua própria antipartícula, existe a possibilidade de algo ainda mais raro do que isso: um decaimento duplo beta em que os dois neutrinos se aniquilam imediatamente, deixando apenas os dois elétrons sem nenhuma antimatéria para contrabalançá-los. Esse é o decaimento duplo beta sem neutrinos.
Detectar um processo tão raro seria difícil – mas não impossível, graças ao número astronômico de átomos em objetos de tamanho comum. Há quase um trilhão de trilhões de átomos em alguns gramas de material. “Portanto, se você empilhar um monte de coisas, terá a possibilidade de ver algo que acontece em linhas de tempo ainda mais longas do que a idade do universo”, diz Winslow.
Essa é a abordagem adotada pelo Observatório Criogênico Subterrâneo para Eventos Raros (CUORE, na sigla em italiano, significa “coração”), um detector sob uma montanha na Itália que está aguardando evidências de decaimento duplo beta sem neutrinos. Um determinado isótopo de telúrio é um dos núcleos suscetíveis ao decaimento duplo beta. O CUORE observa esse fenômeno em um conjunto de 988 cristais cúbicos de cinco centímetros de largura de dióxido de telúrio, cada um deles conectado a um termômetro altamente sensível. A energia combinada dos dois elétrons emitidos no decaimento duplo beta sem neutrino é sempre a mesma, portanto, se o decaimento ocorrer em qualquer lugar dentro de um desses cristais, essa quantidade específica de energia será depositada no cristal como calor, aumentando sua temperatura em um décimo de milésimo de grau Celsius.
Mas um sinal tão pequeno é difícil de ser visto em comparação com todas as outras coisas que poderiam alterar a temperatura de um cristal. É por isso que o CUORE está sob uma montanha – a maior parte da rocha acima dele o protege de quase todos os raios cósmicos. E é também por isso que o CUORE precisa ser mantido frio, apenas alguns milésimos de grau acima do zero absoluto – ele “ganha o prêmio de metro cúbico mais frio do universo conhecido”, diz Winslow. Os sensores são tão delicadamente delicados que podem até mesmo captar as vibrações das ondas que batem na praia, a 60 quilômetros de distância.
O CUORE não está sozinho. Há outros experimentos que procuram o decaimento duplo beta sem neutrinos, incluindo o KamLAND-Zen, um experimento – também sob uma montanha – no Japão, que usa xenônio gasoso no lugar de cristais de telúrio. Mas nenhum dos experimentos que buscam o decaimento o viu ainda, apesar de anos de espera. Há planos para atualizar os sensores no CUORE e aumentar o número de cristais que estão sendo usados; também há planos para aumentar o tamanho e a sensibilidade do KamLAND-Zen. Mas o futuro desses experimentos é incerto.
“Em princípio, poderíamos fazer experimentos maiores e melhores”, diz Reina Maruyama, física de Yale que também faz parte da colaboração CUORE. “Você poderia fazer 10 do que temos. Portanto, acho que é apenas uma questão de quantos recursos a humanidade quer colocar nesse experimento.” Winslow calcula que uma pesquisa completa exigiria mais duas rodadas de melhorias nos experimentos existentes. Se elas forem feitas e não derem em nada, diz ela, “então teremos praticamente eliminado a possibilidade de o neutrino ser sua própria antipartícula”.
Se isso acontecer, será o fim de uma teoria promissora, mas não o fim da pesquisa. Os físicos têm muitas outras ideias sobre como a matéria e a antimatéria poderiam ter se desequilibrado. Mas é difícil encontrar evidências para essas ideias. Algumas podem ser confirmadas se o Large Hadron Collider (Grande Colisor de Hádrons), o maior colisor de partículas do mundo, encontrar algo inesperado nos próximos anos; outras teorias dependem de buscas sensíveis por matéria escura, uma substância invisível e hipotética, fortemente sugerida por décadas de evidências, que se acredita constituir mais de 80% da matéria do universo.
E algumas teorias cobram um preço alto para explicar o desequilíbrio: elas sugerem que os prótons, um dos principais componentes dos núcleos atômicos, são instáveis. Essas teorias dizem que o decaimento dos prótons leva ainda mais tempo do que o decaimento duplo beta sem neutrinos, em média cerca de um trilhão de trilhões de vezes mais do que a idade atual do universo. O Super-Kamiokande (também conhecido como “Super-K”), no Japão, é o maior experimento de observação do decaimento de prótons, usando uma cuba subterrânea de 50.220 toneladas métricas de água ultrapura cercada por 13.031 sensores de luz. Nos limites do conhecimento, o Super-K espera por um leve flash na escuridão. Ele ainda não conseguiu capturar um próton em ação.
Mas seja qual for a causa do desequilíbrio entre matéria e antimatéria no universo primitivo, há uma coisa de que os físicos têm certeza: eventualmente, o espetáculo terminará. Com o passar do tempo, todas as estruturas interessantes desaparecerão à medida que a matéria e a energia do universo forem sendo espalhadas de forma cada vez mais aleatória. Daqui a algumas eras, isso levará novamente a um vazio totalmente sem características – e, dessa vez, ele será muito menos denso e muito mais uniforme do que a névoa primordial. Esse estado, conhecido como morte por calor, provavelmente será o destino final do universo, uma miríade de quatrilhões de anos no futuro.
Portanto, temos sorte – vivemos em um momento em que o universo está repleto de complexidade e beleza, mesmo que não entendamos totalmente o porquê.
Adam Becker é um jornalista freelancer que vive em Berkeley, Califórnia. Escreveu para o New York Times, a BBC, a Scientific American, a Quanta, a New Scientist e outros veículos. Ele também é autor de What Is Real?, um relato afável da sórdida história não contada da física quântica.
MIT Technology Review
