$SU(\mathcal{N})$ baryon formation in the early Universe and dark matter

Na vasta e invisível arquitetura do universo, existe um mistério persistente em relação à natureza da matéria escura. Embora possamos ver estrelas e galáxias, a maior parte da massa do universo permanece oculta, exercendo gravidade, mas recusando-se a emitir ou refletir luz. Por décadas, físicos propuseram que essa massa ausente consiste em partículas não descobertas, imaginando-as frequentemente como entidades simples e solitárias. No entanto, outra ideia convincente sugere que a matéria escura pode ser feita de estruturas compostas complexas, muito parecidas com os prótons e nêutrons que formam os átomos de nossos próprios corpos. Essas partículas hipotéticas seriam "bárions" formados por um novo tipo de força que as une, semelhante à forma como a força nuclear forte mantém os quarks unidos em nosso mundo. A questão crítica para os cosmólogos é como essas estruturas complexas poderiam ter se formado no ambiente caótico e de alta energia do universo primitivo sem serem destruídas antes que pudessem se tornar a matéria escura que observamos hoje.

Uma equipe de pesquisadores investigou agora esse processo de formação para uma classe específica de teorias onde a força de ligação envolve um grande número de "cores", uma propriedade análoga à carga elétrica, mas específica para esta nova força. Em nosso mundo familiar, a força que une os quarks vem em três variedades, permitindo que eles se combinem em grupos de três para formar partículas estáveis. Os pesquisadores exploraram o que aconteceria se essa força viesse em muito mais variedades — especificamente, doze, dezoito ou até vinte e uma. Eles se propuseram a simular o momento em que o universo esfriou o suficiente para que essas forças entrassem em ação, aprisionando partículas livres em estados ligados. O objetivo era determinar se essas partículas complexas poderiam se montar com sucesso em candidatos de matéria escura estáveis e neutros, ou se o processo seria bloqueado pela própria natureza das forças envolvidas.

A simulação revelou um obstáculo significativo que surge quando o número de variedades de força aumenta. No universo primitivo, conforme a temperatura caía, partículas livres começaram a se agrupar. Os pesquisadores descobriram que, embora as partículas pudessem facilmente se unir para formar estruturas simples de duas partículas, conhecidas como mésons, o caminho para construir os bárions maiores era severamente dificultado. Esse bloqueio ocorre porque a força que puxa uma única partícula para dentro de um grupo crescente é muito mais fraca do que a força que puxa uma partícula e uma antipartícula para formar um méson. Como resultado, os blocos de construção para os grandes bárions são rapidamente consumidos pela formação de mésons. Os pesquisadores descrevem isso como um "gargalo": a linha de montagem para as partículas complexas de matéria escura está obstruída porque os ingredientes estão sendo desviados para estruturas mais simples e concorrentes antes que a construção maior possa ser concluída.

Este efeito torna-se dramaticamente mais forte à medida que o número de variedades de força aumenta. No caso de doze variedades, os pesquisadores calcularam que o número de bárions formados com sucesso é suprimido para uma fração minúscula do que seria esperado em um sistema mais simples. Para dezoito variedades, a supressão é ainda mais extrema, reduzindo o rendimento por um fator de dez elevado à vigésima terceira potência. Isso significa que, para esses sistemas maiores, o universo produz quase nenhum bárion estável. Os poucos que se formam são tão raros que, para explicar a quantidade total de matéria escura que observamos hoje, cada partícula individual precisaria ser incrivelmente massiva. De fato, para os maiores números de variedades estudados, a massa necessária excederia os limites teóricos estabelecidos pelas leis da mecânica quântica, sugerindo que tais partículas pesadas simplesmente não podem existir da maneira como o modelo descreve.

Para tornar seu modelo realista, os pesquisadores também garantiram que as partículas pudessem interagir com as forças conhecidas da natureza de uma forma que permita que partículas instáveis decaiam com segurança. Eles construíram um cenário com três tipos de partículas, semelhantes aos quarks up, down e strange em nosso próprio mundo, o que permite a existência de um bárion neutro e estável que poderia servir como matéria escura. Nesta configuração, quaisquer versões instáveis ou carregadas dessas partículas decairiam em radiação inofensiva muito antes da formação das primeiras estrelas, garantindo que não interfiram na história conhecida do universo. O estudo confirma que, embora uma partícula de matéria escura neutra e estável seja teoricamente possível nesses modelos, o mecanismo que a cria é tão ineficiente para grandes números de variedades de força que as partículas resultantes seriam pesadas demais para serem candidatas viáveis para a matéria escura que preenche o nosso cosmos.

As implicações deste trabalho são profundas para teorias que dependem de matéria escura composta e complexa. Isso sugere que, se a matéria escura for de fato feita de tais estruturas, a força subjacente não pode ter muitas variedades, ou o universo simplesmente falharia em produzir o suficiente delas. Para modelos com um número moderado de variedades, como doze, um candidato a matéria escura estável poderia existir, mas precisaria ser extremamente pesado, pesando aproximadamente cem mil vezes a massa de um próton. Isso impõe restrições rigorosas sobre como essas teorias podem ser construídas e testadas. Os pesquisadores concluem que, embora a ideia de matéria escura composta continue sendo uma possibilidade fascinante, o mecanismo específico de sua formação atua como um filtro poderoso, descartando as versões mais complexas da teoria e apontando para um caminho muito mais estreito para explorações futuras.