Experimentos de fundo cósmico de micro-ondas podem investigar a conexão entre inflação cósmica e física de partículas

Vários projetos de pesquisa astrofísica em larga escala estão programados para acontecer na próxima década, vários dos quais são os chamados experimentos de fundo cósmico de micro-ondas (CMB). Esses são esforços científicos em larga escala voltados para detectar e estudar a radiação CMB, que é essencialmente radiação térmica originária do universo primitivo.

Pesquisadores da Université Catholique de Louvain, na Bélgica, mostraram recentemente que as próximas observações do CMB com o satélite japonês LiteBIRD ou os observatórios CMB Stage 4 (CMB-S4), financiados principalmente pelos EUA, poderiam, ao detectar ondas gravitacionais primordiais, medir o acoplamento do chamado campo de ínflaton a outras partículas pela primeira vez, com melhorias adicionais possíveis se dados de pesquisas ópticas ou radiotelescópios de última geração forem adicionados.

O artigo deles, publicado em Cartas de revisão físicasugere que essa medição pode ajudar a explorar a conexão entre a inflação cósmica e a física de partículas.

“Um dos aspectos mais surpreendentes sobre o Modelo Padrão da física de partículas é que ele não apenas descreve todas as partículas elementares encontradas na Terra em termos de algumas simetrias e um punhado de números, mas essas leis também parecem ser universais o suficiente para serem válidas em regiões distantes do cosmos e em processos que aconteceram nos primeiros momentos após o Big Bang”, disseram Marco Drewes e Lei Ming, os dois autores do artigo, ao Phys.org.

“É uma questão natural perguntar até onde podemos voltar na história com teorias da física de partículas — e o que podemos aprender com o universo primitivo sobre a Nova Física além do Modelo Padrão.”

A pesquisa de Drewes e Ming extrai do fascínio deles com a conexão entre física de partículas e cosmologia. Seu artigo recente se baseia em estudos anteriores de Drewes que começaram em 2015, que estabeleceram as bases para o projeto de doutorado de Ming.

Na época do estudo, Lei Ming era um aluno visitante de doutorado na UCLouvain e fazia parte do grupo de pesquisa de Drewes. Desde então, ele se formou e começou a trabalhar na SYSU Guangzhou.

“É amplamente acreditado que a homogeneidade geral do universo observável é o resultado de uma fase de expansão cósmica acelerada apelidada de ‘inflação cósmica’ há cerca de 14 bilhões de anos”, disseram Drewes e Ming. “No entanto, não se sabe como o mecanismo que impulsionou essa aceleração está conectado a uma teoria fundamental da natureza, e especialmente ao Modelo Padrão da física de partículas. Uma chave importante pode ser fornecida pela impressão de ‘reaquecimento cósmico’ no CMB.”

Reaquecimento cósmico é o processo pelo qual o universo primitivo foi preenchido com um plasma quente, seguindo seu resfriamento pela expansão inflacionária. Esse processo finalmente estabeleceu as condições iniciais para o “Big Bang quente”, que resultou na formação do universo como o conhecemos.

Alguns estudos anteriores já haviam explorado a possibilidade de restringir a temperatura inicial do universo usando dados de CMB. No entanto, o estudo de Drewes e Ming dá um passo adiante, investigando até que ponto esses dados poderiam conter insights sobre a conexão entre CMB e física de partículas.

O reaquecimento é impulsionado pelas interações entre o campo responsável por impulsionar a inflação cósmica (ou seja, o ínflaton) e outras partículas e, portanto, é sensível à constante de acoplamento fundamental que governa a força dessa interação (o acoplamento do ínflaton). Um análogo a esse acoplamento enraizado na física do ensino médio seria, por exemplo, a carga elementar que governa a força da interação entre o campo elétrico e as partículas carregadas.

“Mostramos que experimentos como CMB-S4 ou LiteBIRD podem medir o acoplamento pela primeira vez”, disseram Drewes e Ming. “Este é um parâmetro microfísico que não apenas moldou a evolução do nosso cosmos ao definir a temperatura inicial do plasma primordial durante o Big Bang, mas também pode nos dizer algo sobre a conexão entre modelos de inflação cósmica e teorias da física de partículas. Nosso trabalho, portanto, adiciona um novo aspecto aos casos físicos desses experimentos.”

Para modelar o processo de reaquecimento, os pesquisadores precisam usar uma combinação de técnicas enraizadas na física de partículas, particularmente a teoria quântica de campos, e a mecânica estatística. Em seus trabalhos anteriores, Drewes e Ming conseguiram isso usando uma abordagem conhecida como formalismo de Schwinger-Keldysh.

“Em trabalhos anteriores, fizemos isso usando o chamado formalismo de Schwinger-Keldysh, um método para descrever processos quânticos de não equilíbrio em um meio denso que foi originalmente desenvolvido na física da matéria condensada e posteriormente generalizado para a física de partículas para identificar as condições sob as quais o acoplamento do ínflaton pode, em princípio, ser restringido com dados de CMB”, explicaram Drewes e Ming.

Como parte de seu estudo recente, os pesquisadores usaram esses resultados para determinar se a próxima geração de experimentos CMB poderia, na prática, realizar essa medição. Para fazer isso, eles usaram uma técnica enraizada em estatísticas bayesianas, explorando a sensibilidade de detectores futuros a ondas gravitacionais primordiais.

“A sensibilidade em nosso estudo atual é primariamente impulsionada pela sensibilidade do CMB-S4 ou LiteBIRD às ondas gravitacionais primordiais da inflação”, Drewes e Ming acrescentaram. “Agora planejamos investigar quanta informação a mais pode ser obtida ao incluir outros observáveis, como não-Gaussianidades nas perturbações cosmológicas ou a chamada execução do índice espectral.”

No geral, os resultados das análises realizadas por esta equipe de pesquisadores demonstram o potencial de futuros experimentos de CMB para investigar a conexão entre a inflação cósmica e a física de partículas.

Drewes e Ming esperam que seu estudo incentive a National Science Foundation (NSF) e outras organizações de financiamento a apoiar a pesquisa do CMB, incluindo atividades no Polo Sul que foram suspensas em maio de 2024 e abririam caminho para o experimento CMB-S4.

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