O Modelo Padrão (SM), a principal estrutura física que descreve partículas elementares e as forças que as impulsionam, descreve padrões-chave em interações físicas chamadas simetrias de gauge. Uma das simetrias que ele descreve é a chamada hipercarga U(1) Y : uma simetria de gauge que contribui para a carga elétrica de partículas antes que as forças eletromagnéticas e fracas se tornem distintas (ou seja, antes da transição de fase eletrofraca).

Pesquisadores do Departamento de Física Teórica (DFT) da Universidad Autónoma de Madrid e do Instituto de Física Teórica (IFT) realizaram recentemente um estudo investigando como as condições presentes no universo primitivo poderiam levar à quebra espontânea dessa simetria de calibre, ligando esse fenômeno a certos modelos de geração de massa de neutrinos conhecidos como modelos de massa de neutrinos radiativos. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters , baseia-se especificamente em uma estrutura teórica chamada modelo Zee-Babu, uma extensão do SM que explica a geração de massa de neutrinos.

"No SM, a simetria de calibre eletrofraca quebrada espontaneamente, que governa as interações eletromagnéticas e fracas da natureza, foi restaurada nos primeiros instantes do universo, quando a temperatura do universo era maior que a escala de energia eletrofraca", disseram os professores Jose Miguel No, Luca Merlo, Alvaro Lozano-Onrubia e Sergio López-Zurdo.

"Nos últimos anos, um de nós (Prof. No) tem explorado a possibilidade de que essa simetria poderia ter permanecido quebrada no universo primitivo, pois isso poderia ter implicações importantes para a origem da assimetria primordial matéria-antimatéria (a chamada 'assimetria bariônica do universo'). No entanto, era muito difícil encontrar extensões do SM que apresentassem tal efeito."

Enquanto participava de um workshop de física teórica em Munique, o Prof. No começou a discutir a fenomenologia de alguns modelos de física de partículas que geram massas para neutrinos SM com o Prof. Kaladi Babu da Oklahoma State University. O Prof. Babu, um especialista mundial nessas estruturas, conhecidas como modelos de massa de neutrinos radiativos, ofereceu insights valiosos que abriram caminho para o estudo atual da equipe.

"Essa conversa levou à percepção de que tais modelos tinham os ingredientes necessários para manter a simetria do calibre de hipercarga — uma das duas simetrias que compõem a simetria do calibre eletrofraco — quebrada em temperaturas muito altas", disseram os pesquisadores.

"De volta ao IFT em Madri, todos nós nos sentamos juntos e confirmamos que esses modelos de massa de neutrinos poderiam apresentar quebra de hipercarga no universo inicial, potencialmente oferecendo uma nova perspectiva sobre a conexão entre as massas de neutrinos e a assimetria bariônica."

O SM tem um setor escalar simples que contém apenas o campo de Higgs responsável por gerar a massa de partículas massivas descritas pelo modelo. Este setor escalar simples sugere que o universo tem uma história térmica bastante básica, com simetrias de calibre SM sendo exatas em altas temperaturas. Ainda assim, a simetria eletrofraca quebra espontaneamente em baixas temperaturas, um fenômeno que é bem estabelecido experimentalmente.

"Em certas extensões do SM com um setor escalar mais rico, no entanto, a história térmica do universo teria sido mais envolvida/sofisticada", explicaram No, Merlo, Lozano-Onrubia e López-Zurdo. "Em particular, mostramos que extensões onde esse setor escalar mais rico está ligado à geração de massas de neutrinos, a simetria do calibre de hipercarga do SM pode de fato ser quebrada em altas temperaturas, enquanto no SM não é."

Os pesquisadores mostraram que a quebra da simetria da hipercarga no universo primitivo poderia explicar o desequilíbrio observado entre matéria e antimatéria no universo, que é conhecido como o problema da assimetria bariônica. Em seu artigo, No, Merlo, Lozano-Onrubia e López-Zurdo descrevem um mecanismo não convencional que poderia ter contribuído para a formação do universo dominado pela matéria de hoje.

"Em primeiro lugar, nosso estudo ressalta a relevância de considerar as contribuições quânticas nessas análises, pois nossos resultados dependem crucialmente de incluí-las adequadamente", disseram os pesquisadores.

"Mostramos que modelos de física de partículas com um setor escalar não mínimo são cenários muito promissores para explicar simultaneamente vários dos problemas não resolvidos do SM, no nosso caso, a origem das massas dos neutrinos e a geração da assimetria bariônica do universo."

O trabalho recente desta equipe de pesquisa pode em breve abrir possibilidades interessantes para o estudo da física de neutrinos e das origens da matéria. No futuro, pode contribuir para o desenvolvimento de modelos alternativos do universo que ofereçam melhores explicações para sua assimetria matéria-antimatéria.

"Ao mesmo tempo, nosso trabalho abre caminho para novas maneiras alternativas de explicar a origem da assimetria bariônica do universo, que eventualmente leva à nossa existência", disseram os pesquisadores.

As análises recentes de No, Merlo, Lozano-Onrubia e López-Zurdo se aplicam especificamente a uma estrutura teórica específica de geração de massa de neutrinos conhecida como modelo Zee-Babu. Como parte de sua pesquisa atual, os pesquisadores estão tentando determinar se seus resultados se aplicam apenas a esse modelo ou podem ser estendidos a uma gama mais ampla de teorias que descrevem setores escalares ricos.

"Além disso, esse fenômeno de 'quebra de simetria inversa' (que uma certa simetria, que seria considerada exata no universo primitivo , foi realmente quebrada então) poderia fornecer uma solução para outros problemas do SM, como o problema 'strong-CP' — por que as interações fortes parecem conservar a simetria discreta do CP ", acrescentaram os pesquisadores. "Essa é uma possibilidade que estamos explorando em uma análise mais aprofundada que estamos conduzindo."