Leptogenesis and Planck-scale black hole remnants in a Pati-Salam cosmology

O universo é preenchido por dois grandes mistérios que a física moderna ainda não resolveu. O primeiro é o porquê de haver mais matéria do que antimatéria. Nos primeiros momentos após o Big Bang, matéria e antimatéria deveriam ter sido criadas em quantidades iguais, apenas para se aniquilarem mutuamente e deixarem para trás um mar de luz pura. No entanto, nós existimos. Algo desequilibrou a balança, criando um pequeno excedente de matéria que eventualmente formou estrelas, planetas e a nós. O segundo mistério é a matéria escura. Os astrônomos sabem que aproximadamente um quarto do universo é feito de uma substância invisível que mantém as galáxias unidas, mas ninguém jamais viu uma partícula dela ou sabe do que é feita. Por décadas, cientistas tentaram explicar esses dois enigmas separadamente, propondo frequentemente novas partículas ou forças complexas. Um estudo recente, contudo, sugere que a resposta para ambos pode residir no mesmo objeto estranho e minúsculo: um buraco negro primordial.

Estes não são os buracos negros massivos encontrados nos centros das galáxias, que se formam a partir do colapso de estrelas. Em vez disso, são buracos negros microscópicos que poderiam ter se formado na primeira fração de segundo após o Big Bang, criados por flutuações na densidade do universo primitivo. Se existirem, seriam incrivelmente pequenos, alguns pesando menos de um grama, e estariam evaporando agora mesmo, liberando energia em um processo conhecido como radiação de Hawking. Uma equipe de pesquisadores construiu um novo modelo mostrando como esses pequenos buracos negros poderiam ter atuado como fábricas cósmicas, produzindo as partículas pesadas necessárias para criar nosso universo dominado pela matéria e, simultaneamente, deixando para trás um resíduo estável que compõe a matéria escura que vemos hoje.

Os pesquisadores trabalharam dentro de um quadro teórico específico chamado modelo de Pati–Salam. Esta é uma forma de organizar as partículas fundamentais da natureza que trata o neutrino de mão direita — um primo pesado e invisível do neutrino familiar — como uma parte necessária da estrutura do universo, em vez de um adicional opcional. Neste modelo, a existência desses neutrinos pesados está ligada a uma escala de energia específica onde as forças da natureza se separam. A equipe fez uma pergunta simples, porém difícil: poderia a evaporação de buracos negros primordiais fornecer os neutrinos pesados necessários para gerar o desequilíbrio matéria-antimatéria, e poderiam os próprios buracos negros deixar para trás um remanescente que sirva como matéria escura?

Para responder a isso, eles simularam o ciclo de vida desses buracos negros. Começaram com um universo onde as forças já haviam se separado antes da rápida expansão da inflação, garantindo que monopólos magnéticos perigosos fossem diluídos. Em seguida, introduziram uma população de buracos negros primordiais com uma gama específica de massas. À medida que esses buracos negros evaporavam, eles expeliam partículas. Se os buracos negros fossem quentes o suficiente, emitiriam os neutrinos pesados de mão direita. Esses neutrinos então decairiam de uma forma que criaria um leve excesso de matéria sobre a antimatéria. Esse excesso seria eventualmente convertido nos bárions — os prótons e nêutrons — que compõem toda a matéria visível.

O estudo descobriu que esse processo funciona, mas apenas sob condições muito específicas. Os pesquisadores descobriram uma divisão nítida baseada na massa dos buracos negros. Se os buracos negros fossem muito leves, pesando cerca de cem gramas ou menos, seriam quentes o suficiente para emitir os neutrinos pesados diretamente. Isso criaria uma fonte "não térmica" de matéria, gerando a assimetria bariônica sem precisar que o universo fosse extremamente quente. No entanto, esse cenário encontra um obstáculo ao considerar a matéria escura. Se esses buracos negros leves evaporarem completamente, não deixam nada para trás. Mas se a gravidade quântica interromper sua evaporação pouco antes de desaparecerem, deixando para trás um "remanescente" minúsculo e estável, a matemática falha. O estudo mostra que, se os buracos negros forem leves o suficiente para criar essa assimetria de matéria desta forma, os remanescentes deixados seriam tão numerosos que superlotariam o universo com matéria escura, excedendo em muito o que observamos. Neste cenário específico, os dois objetivos — criar a quantidade certa de matéria e a quantidade certa de matéria escura — não podem ser alcançados ao mesmo tempo.

A solução, descobriram os autores, reside em buracos negros ligeiramente mais pesados. Se os buracos negros primordiais pesarem cerca de um milhão de gramas, eles são mais frios e não conseguem emitir os neutrinos pesados de forma eficiente por conta própria. Em vez disso, os neutrinos pesados são produzidos pelo plasma quente do universo primitivo. Os buracos negros desempenham então um papel diferente: eles evaporam e despejam uma enorme quantidade de entropia, ou desordem, no universo. Esse processo dilui a assimetria de matéria que já havia sido criada, mas não a destrói. Crucialmente, quando esses buracos negros mais pesados finalmente evaporam, eles deixam para trás um remanescente estável. Como os buracos negros são mais pesados, o número de remanescentes que eles deixam para trás é muito menor. O estudo calcula que, para buracos negros com uma massa inicial de aproximadamente um milhão de gramas, o número de remanescentes restantes corresponde perfeitamente à quantidade observada de matéria escura no universo.

Este valor de massa único de cerca de um milhão de gramas atua como um ponto ideal. É pesado o suficiente para que os remanescentes não superpopulem o universo, mas leve o suficiente para que os buracos negros evaporem cedo o suficiente para permitir que a assimetria de matéria seja processada pelos mecanismos naturais do universo antes que as forças da natureza se congelem. Os pesquisadores também observaram que este cenário deixa uma impressão digital distinta. A distribuição aleatória desses buracos negros no universo primitivo teria criado ondulações no espaço-tempo, gerando um zumbido de fundo de ondas gravitacionais. Essas ondas teriam uma frequência que detectores futuros, como o Telescópio Einstein, poderiam ser capazes de ouvir. Adicionalmente, a emissão direta de grávitons durante os momentos finais dos buracos negros contribuiria para a densidade de radiação do universo, uma quantidade que experimentos futuros de radiação cósmica de fundo poderiam medir com alta precisão.

O artigo conclui que, embora a ideia de usar buracos negros para resolver ambos os enigmas da matéria e da matéria escura seja convincente, ela não é uma solução universal. Ela descarta a possibilidade de que os buracos negros mais leves possam fazer o trabalho sozinhos. Em vez disso, aponta para uma janela específica e estreita de massas de buracos negros onde o universo poderia ter sido ajustado para produzir exatamente o que vemos hoje. O modelo baseia-se na suposição de que a gravidade quântica interrompe a evaporação dos buracos negros na escala de Planck, deixando para trás remanescentes estáveis. Se essa suposição se mantiver, então a existência da matéria escura e a origem do nosso universo repleto de matéria são dois lados da mesma moeda, forjados na evaporação de uma população específica de buracos negros primordiais. As descobertas sugerem que a próxima geração de experimentos de ondas gravitacionais e de fundo cósmico poderá confirmar essa conexão elegante ou nos forçar a procurar uma explicação diferente para o lado obscuro do cosmos.