Por gerações, os físicos tiveram certeza de que as leis da física eram perfeitamente simétricas. Até que eles não estavam.

A simetria é uma ideia arrumada e atraente que se desfaz em nosso universo desarrumado . De fato, desde a década de 1960, algum tipo de quebra de simetria é necessária para explicar por que há mais matéria do que antimatéria no universo — ou seja, por que isso existe.

Mas identificar a fonte por trás dessa violação de simetria existencial, até mesmo encontrar provas disso, tem sido impossível.

No entanto, em um novo artigo publicado no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , os astrônomos da Universidade da Flórida encontraram a primeira evidência dessa violação necessária da simetria no momento da criação. Os cientistas da UF estudaram um enorme milhão de trilhões de quadrigêmeos galácticos tridimensionais no universo e descobriram que o universo em um ponto preferia um conjunto de formas sobre suas imagens espelhadas.

Essa ideia, conhecida como violação da simetria de paridade, aponta para um período infinitesimal na história do nosso universo, quando as leis da física eram diferentes do que são hoje, com enormes consequências para a evolução do universo.

A descoberta, estabelecida com um alto nível de confiança estatística, tem duas consequências principais. Primeiro, essa violação de paridade só poderia ter se impresso nas futuras galáxias durante um período de inflação extrema nos primeiros momentos do universo, confirmando um componente central da teoria do Big Bang da origem do cosmos.

A violação de paridade também ajudaria a responder talvez à pergunta mais crucial da cosmologia: por que existe algo em vez de nada? Isso porque a violação de paridade é necessária para explicar por que há mais matéria do que antimatéria, uma condição essencial para galáxias, estrelas, planetas e vida se formarem da maneira que se formaram.

"Sempre me interessei por grandes questões sobre o universo. Qual é o começo do universo? Quais são as regras sob as quais ele evolui? Por que existe algo em vez de nada?" disse Zachary Slepian, professor de astronomia da UF que supervisionou o novo estudo. "Este trabalho aborda essas grandes questões."

Slepian trabalhou com o pesquisador de pós-doutorado da UF e o primeiro autor do estudo, Jiamin Hou, e o físico do Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley, Robert Cahn, para conduzir a análise. O trio publicou suas descobertas em 22 de maio na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . Os mesmos pesquisadores propuseram pela primeira vez a ideia de procurar violação de paridade usando quádruplos de galáxias em um artigo que também foi publicado recentemente na Physical Review Letters .

A simetria de paridade é a ideia de que as leis físicas não devem preferir uma forma à sua imagem no espelho. Os cientistas geralmente usam a linguagem da "mão" para descrever essa característica, porque nossas mãos esquerda e direita são imagens espelhadas com as quais estamos familiarizados. Não há como girar sua mão esquerda em três dimensões para torná-la parecida com a mão direita , o que significa que elas sempre são distinguíveis uma da outra.

A violação de paridade significaria que o universo tem preferência por formas destras ou canhotas. Para descobrir a lateralidade do universo, o laboratório de Slepian imaginou todas as combinações possíveis de quatro galáxias conectadas por linhas imaginárias no espaço. Isso cria um objeto 3D chamado tetraedro, como uma pirâmide torta - a forma mais simples que possui uma imagem espelhada. Eles definiram tetraedros galácticos destros e canhotos com base em como as galáxias estavam conectadas a seus parceiros mais próximos e mais distantes nessas formas imaginárias.

Seu método exigia a análise de um trilhão de tetraedros imaginários para cada um de um milhão de galáxias, um número impressionante de combinações. "Eventualmente, percebemos que precisávamos de uma nova matemática", disse Slepian.

Assim, a equipe de Slepian desenvolveu fórmulas matemáticas sofisticadas que permitiram que os imensos cálculos fossem realizados em um período razoável. Ainda exigia uma quantidade considerável de poder computacional. "A tecnologia exclusiva da UF que temos aqui com o supercomputador HiPerGator nos permitiu executar a análise milhares de vezes com configurações diferentes para testar nosso resultado", disse ele.

Os aspectos técnicos da análise tornam difícil dizer se o universo prefere formas "destras" ou "canhotas", mas os cientistas viram evidências claras de que o cosmos tem uma preferência. Eles estabeleceram sua descoberta com um grau de certeza conhecido como sete sigma, uma medida de quão improvável é alcançar o resultado baseado apenas no acaso. Na física, um resultado com um valor sigma de cinco ou mais é normalmente considerado confiável porque as chances de um resultado aleatório nesse nível são extremamente pequenas. Uma análise semelhante, conduzida por um ex-membro do laboratório Slepian, identificou a mesma preferência de forma universal, embora com um pouco menos de confiança estatística devido a diferenças no desenho do estudo.

Embora os cientistas estejam confiantes neste sinal de violação de paridade, ainda é possível que a incerteza nas medições subjacentes possa explicar a assimetria. Felizmente, amostras muito maiores de galáxias de telescópios de última geração podem fornecer dados suficientes para apagar essas incertezas em apenas alguns anos. O grupo de Slepian na UF realizará suas análises sobre esses dados novos e mais robustos como parte da equipe do telescópio Dark Energy Spectroscopic Instrument.

Esta não é a primeira vez que a violação de paridade é detectada, mas é a primeira evidência de violação de paridade que pode afetar o agrupamento tridimensional de galáxias no universo. Uma das forças fundamentais , a força fraca, também viola a paridade. Mas seu alcance é extremamente limitado e não pode influenciar a escala das galáxias. Essa influência galáctica exigiria que uma violação de paridade ocorresse no momento do Big Bang, um período conhecido como inflação.

“Como a violação da paridade só pode ser impressa no universo durante a inflação, se o que descobrimos for verdade, isso fornece evidências irrefutáveis ??para a inflação”, disse Slepian.

Nem poderia a violação de paridade da força fraca explicar a abundância de matéria. Em um universo simétrico, o Big Bang deveria ter criado quantidades iguais de matéria e antimatéria, que teriam se aniquilado e deixado o universo sem estrelas e planetas. Como acabamos claramente com um universo feito principalmente de matéria, os físicos há muito procuram algum sinal de assimetria na criação inicial.

As descobertas do laboratório de Slepian ainda não podem explicar como chegamos a essa abundância crucial de matéria. O "como" exigirá uma nova física que vá além do Modelo Padrão, que explica nosso universo atual. Mas os novos resultados sugerem fortemente que houve uma assimetria nos primeiros momentos do Big Bang.

Agora começou a corrida para os cientistas produzirem uma teoria que possa explicar a preferência pela imagem especular do universo e o excesso de matéria.