Nós Cósmicos: Uma Nova História sobre a Origem

Em 7 de dezembro de 2025, uma equipe de físicos teóricos publicou um artigo na Physical Review Letters argumentando que configurações de campo em forma de nó — o que chamam de "nós cósmicos" — poderiam ter assumido o papel central nos primeiros momentos do universo e, ao se desatarem, semeado o pequeno excesso de matéria sobre a antimatéria que tornou possíveis as estrelas, os planetas e a vida.

A proposta une duas extensões do Modelo Padrão estudadas há muito tempo — uma simetria de gauge Bárion menos Lépton (B–L) e a simetria Peccei–Quinn (PQ) — para produzir nós topológicos estáveis. Esses objetos se comportam de maneira muito diferente da radiação comum e poderiam ter dominado o cosmos jovem por um curto período antes de colapsarem através de tunelamento quântico e criarem neutrinos de mão direita pesados, cujos decaimentos favorecem a matéria. Crucialmente, o modelo prevê um desvio característico no fundo primordial de ondas gravitacionais que futuros observatórios poderão detectar.

Simetrias emaranhadas na física de partículas

O Modelo Padrão deixa três grandes enigmas sem resposta: por que os neutrinos têm massa, por que a força nuclear forte preserva uma simetria específica (o chamado problema do CP forte) e por que o universo observável contém muito mais matéria do que antimatéria. O novo trabalho combina duas ideias de simetria que os físicos consideram há décadas para abordar essas questões em um quadro coerente.

Um ingrediente é a simetria Peccei–Quinn, introduzida para explicar por que os experimentos não encontram essencialmente nenhuma violação de CP na interação forte; sua assinatura de baixa energia é o áxion, um candidato à matéria escura amplamente discutido. O outro é uma simetria de gauge B–L, que fornece um lugar natural para neutrinos de mão direita pesados e ajuda a tornar as massas dos neutrinos compreensíveis via mecanismos de gangorra (seesaw). Quando essas duas simetrias se quebram conforme o universo esfria, elas produzem diferentes tipos de defeitos: a quebra de PQ gera vórtices superfluidos, enquanto a quebra da gauge B–L produz tubos de fluxo que agem como cordas magnéticas.

De cordas a uma era dominada por nós

Defeitos topológicos são familiares na cosmologia como cordas cósmicas — tubos de energia tremendamente finos, mas massivamente densos, deixados após a quebra de simetria. Na configuração combinada PQ+B–L, uma rede de tais defeitos se forma durante as transições de fase logo após o Big Bang. Ao contrário da radiação, cuja densidade de energia cai rapidamente à medida que o universo se expande, a energia contida em objetos massivos e não relativísticos diminui mais lentamente.

O artigo argumenta que, para uma gama plausível de parâmetros, a população de nós poderia passar a dominar o balanço energético cósmico por uma época limitada. Esta "era dos nós" não é eterna: o tunelamento quântico permite que os nós se desfaçam. Quando isso acontece, a energia armazenada é liberada violentamente em partículas — incluindo os neutrinos de mão direita pesados que são uma característica intrínseca do setor de gauge B–L.

Como os nós geram mais matéria do que antimatéria

Bariogênese — a criação do pequeno excesso observado de matéria sobre a antimatéria — requer três ingredientes: processos que violam o número bariônico, violação da simetria de paridade de carga (CP) e afastamento do equilíbrio térmico. O colapso dos nós fornece a última condição ao produzir uma explosão de partículas pesadas de forma não térmica. Os neutrinos de mão direita pesados então decaem, com processos de violação de CP enviesando ligeiramente os decaimentos em direção à produção de matéria sobre a antimatéria. Ao longo da história cósmica, esse pequeno viés — cerca de uma partícula de matéria extra para cada bilhão de aniquilações — é tudo o que é necessário para gerar o cosmos material que observamos.

Ondas gravitacionais como teste

Um aspecto convincente do cenário é que uma fase dominada por nós e o colapso violento de configurações de campo macroscópicas devem deixar uma marca no próprio espaço-tempo: um fundo estocástico de ondas gravitacionais com uma forma espectral específica e uma escala de frequência característica. Como os nós se comportam como matéria antes de seu decaimento, eles alteram a forma como o fundo de ondas gravitacionais sofre redshift à medida que o universo se expande. Nas estimativas dos autores, o reaquecimento (reheating) próximo a 100 GeV desloca o pico para frequências mais altas em comparação com muitas outras fontes do universo primordial.

Esse desvio abre um caminho para testes observacionais. Detectores espaciais e de solo de próxima geração operam em bandas de frequência complementares: o LISA sondará frequências de mili a deci-mili-hertz, o DECIGO visa frequências de deci-hertz e o Cosmic Explorer amplia a sensibilidade em frequências mais altas. Detectar as características espectrais previstas, ou descartá-las, restringiria diretamente se uma era de nós algum dia ocorreu.

Virtudes do modelo e problemas em aberto

Há também nós fenomenológicos para desatar. A simetria PQ é tratada como uma simetria global no modelo para preservar a solução do áxion para o problema do CP forte; simetrias globais são sutis na gravidade quântica e podem ser quebradas por efeitos na escala de Planck. Além disso, garantir que a física dos áxions, as massas dos neutrinos pesados e as interações de gauge se ajustem às restrições observacionais (incluindo limites para partículas e forças adicionais) restringe o espaço de parâmetros viáveis. Os autores pedem explicitamente por trabalhos numéricos mais detalhados e pela conexão de simulações às assinaturas de ondas gravitacionais que os detectores poderiam buscar.

Por que isso importa

Se confirmado, o quadro dos nós ofereceria uma explicação unificada para três enigmas profundos — as massas dos neutrinos, o problema do CP forte e a bariogênese — ao mesmo tempo em que daria aos experimentalistas um alvo observável no céu de ondas gravitacionais. Ele revive uma intuição do século XIX sobre estruturas emaranhadas em uma forma moderna de teoria de campos e realoca um estágio "avô" metafórico da história cósmica para um momento que poderia, em princípio, ser sondado.

Para cosmólogos e físicos de partículas, os próximos passos são claros: impulsionar simulações numéricas de redes de defeitos topológicos neste arcabouço de simetria combinada, refinar o espectro previsto de ondas gravitacionais e integrar o conteúdo de partículas do modelo às restrições astrofísicas e de colisores existentes. Para a comunidade experimental, o resultado adiciona outro motivo para buscar um programa diversificado de observatórios de ondas gravitacionais em várias bandas de frequência.

A proposta ainda não derruba os paradigmas existentes, mas oferece uma rota testável e intelectualmente econômica para explicar por que qualquer coisa existe — e, ao fazê-lo, aponta a astronomia de ondas gravitacionais para questões tradicionalmente consideradas domínio exclusivo da física de partículas.

Fontes

• Physical Review Letters (artigo de pesquisa: "Tying Knots in Particle Physics")
• International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI‑SKCM2), Hiroshima University
• Deutsches Elektronen‑Synchrotron (DESY)
• Keio University
• Yamagata University