Physics is all about probing the most fundamental mysteries in nature, so it’s no surprise that physicists have some very basic questions about the universe on their minds. Recentemente, a Symmetry Magazine (publicada por dois laboratórios de física financiados pelo governo dos EUA) pediu a um grupo de físicos de partículas para nomear as perguntas abertas em física para as quais eles mais querem respostas. Aqui está uma amostra dos dilemas que eles compartilharam:

“Qual será o destino do nosso universo?”

O famoso poeta Robert Frost perguntou se o mundo iria acabar em fogo ou gelo, e os físicos ainda não conseguem responder à pergunta. O futuro do universo – a pergunta chamada por Steve Wimpenny da Universidade da Califórnia, Riverside- depende em grande parte da energia negra, que neste momento é uma entidade desconhecida. A energia escura é responsável pela expansão acelerada do universo, mas as suas origens são totalmente misteriosas. Se a energia escura é constante ao longo do tempo, provavelmente estamos olhando para um “grande congelamento” no futuro, momento em que o Universo continua a se expandir cada vez mais rápido, e eventualmente galáxias estão tão espalhadas umas das outras que o espaço parece ser um vasto terreno baldio. Se a energia escura aumentar, esta expansão pode ser ainda mais severa, de modo que não apenas o espaço entre galáxias, mas o espaço dentro delas se expande, e as próprias galáxias são rasgadas aparte – um destino chamado de “grande rasgão”. Outra opção é que a energia escura diminui de forma a não poder contrabalançar a força da gravidade que puxa para dentro, fazendo com que o Universo caia de volta sobre si mesmo em uma “grande crise”. Então, basicamente, seja como for, estamos condenados. Pelo lado positivo, nenhuma dessas eventualidades deve acontecer por bilhões ou trilhões de anos – muito tempo para decidir se estamos esperando por fogo ou gelo.

“O bóson Higgs não faz absolutamente nenhum sentido. Por que ele existe?”

O tom desta pergunta era língua na bochecha, diz o seu questionador, Richard Ruiz da Universidade de Pittsburgh, mas aponta para uma falta de compreensão muito real sobre a natureza da partícula descoberta no ano passado no Large Hadron Collider (LHC) na Europa. O bóson Higgs ajuda a explicar como todas as outras partículas obtiveram a sua massa, mas levanta muitas outras questões. Por exemplo, porque é que o bóson Higgs interage com cada partícula de forma diferente – o quark superior interage muito mais fortemente com o Higgs do que o electrão, dando ao quark superior uma massa muito maior do que o electrão. “Este é o único exemplo de uma força ‘não universal’ no Modelo Padrão”, diz Ruiz. Além disso, o bóson Higgs é a primeira partícula fundamental encontrada na natureza com spin zero. “Este é um setor totalmente novo na física de partículas do Modelo Standard”, diz Ruiz. “Como isso acontece, nós não temos idéia”

“Por que o universo é tão primorosamente equilibrado de tal forma que a vida pode existir?”

Baseado nas probabilidades, nós realmente não deveríamos estar aqui. Galáxias, estrelas, planetas e pessoas só são possíveis em um universo que se expandiu na velocidade certa durante os seus primeiros dias. Esta expansão foi governada pelo impulso externo da energia negra que guerreia com a força gravitacional interna da massa do Universo, que é dominada pelo tipo invisível chamado matéria negra. Se essas quantidades fossem diferentes – se a energia escura tivesse sido apenas um pouco mais forte após o nascimento do Universo, por exemplo, o espaço teria se expandido muito rápido para que galáxias e estrelas se formassem. Mas um pouco menos de energia escura teria causado o colapso do Universo em si mesmo. Então por que, pergunta Erik Ramberg de Fermilab em Batavia, Illinois, eles são tão perfeitamente equilibrados para permitir que o universo em que vivemos? “Não sabemos de uma razão fundamental pela qual esse equilíbrio deveria existir”, diz Ramberg. “Não há dúvida de que a quantidade de energia escura no Universo é o número mais fino da história da física.”

“De onde vêm os neutrinos astrofísicos?”

Prevê-se que os neutrinos de energia extremamente alta resultem das colisões de partículas carregadas rapidamente chamadas raios cósmicos com partículas de luz (fótons) na radiação de fundo de microondas cósmicas que permeia o Universo. Mas o que põe este processo em movimento, e como os raios cósmicos são acelerados, são questões em aberto. Uma idéia principal é que a matéria caindo nos famintos buracos negros supermassivos nos centros das galáxias dá origem aos raios cósmicos – mas ainda não há nenhuma prova desta hipótese. Pensa-se que os neutrinos resultantes estão a viajar tão depressa que cada partícula pequenina tem tanta energia dentro dela como uma bola de basebol rápida (que tem milhares de milhões de milhões de átomos). “Não podemos sequer imaginar de onde estas coisas vêm”, diz Abigail Vieregg do Instituto Kavli de Física Cosmológica da Universidade de Chicago, que fez a pergunta. “Se descobrirmos, podemos aprender sobre as fontes que estão acelerando estas partículas para energias extremamente altas”

“Como o universo é feito de matéria e não de antimatéria”

Antimatéria é como a matéria no dia oposto: tem as mesmas propriedades que as coisas que compõem os planetas, estrelas e galáxias, mas uma peça vital é diferente – sua carga. O universo supostamente começou com partes iguais de matéria e antimatéria, mas de alguma forma, a matéria venceu, com a maioria das duas substâncias aniquilando-se uma à outra logo após o big bang, deixando um pequeno excedente de matéria restante. Porque é que a antimatéria perdeu este puxão de guerra, é o palpite de qualquer um. Os cientistas estão ocupados na busca de processos chamados de violação da carga-paridade, onde as partículas preferem se decompor à matéria e não à antimatéria, para explicar a disparidade. “Estamos particularmente interessados em tentar ver se as oscilações de neutrinos são diferentes entre neutrinos e antineutrinos”, diz Alysia Marino, da Universidade do Colorado, que compartilhou a questão com a Symmetry. “Isto é algo que ainda não foi visto até agora, mas esperamos que a próxima geração de experiências olhe com mais detalhe”