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Mistério da matéria comum perdida pode estar resolvido

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Um artigo disponível no repositório online de pré-impressão arXiv.org, que aguarda revisão por pares, afirma ter encontrado a chamada “matéria comum perdida” do Universo. Trata-se de um tipo de matéria formada pelas mesmas partículas que compõem os seres humanos, planetas e estrelas – principalmente átomos de hidrogênio. Apesar de sabermos que ela existe, metade parecia ter desaparecido desde o Big Bang.

Diferentemente da matéria escura e da energia escura, que ainda são um grande mistério, a matéria perdida é considerada “visível”, ou seja, composta de elementos conhecidos. O problema é que, quando observamos o Universo próximo, não encontramos toda a quantidade esperada. Isso tem intrigado cientistas há décadas.

Em poucas palavras:

  • Cientistas encontraram a “matéria comum perdida”, que é composta principalmente de hidrogênio;
  • Essa matéria estava invisível nas observações anteriores, apesar de ser formada por elementos conhecidos;
  • O gás ao redor das galáxias foi identificado, estendendo-se muito mais do que se imaginava;
  • A descoberta sugere que buracos negros supermassivos estão expulsando gás com mais intensidade;
  • Para identificar o gás, os cientistas usaram a radiação cósmica de fundo como uma ferramenta;
  • Embora a matéria comum perdida tenha sido localizada, o mistério da matéria escura permanece.

A principal suspeita era que essa matéria estivesse escondida em nuvens gigantes de gás hidrogênio ionizado, tão difusas que escapam aos métodos tradicionais de detecção. O hidrogênio ionizado é difícil de ver, especialmente quando espalhado em áreas enormes e de baixa densidade.

Mapa do universo com a Terra no centro e cada galáxia marcada como um ponto. Embora desenvolvido para a busca de matéria escura, seus dados também foram úteis para encontrar a matéria comum desaparecida. Crédito: colaboração DESI e KPNO / NOIRLab / NSF / AURA / R. Proctor

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Busca pela matéria comum perdida reúne cientistas de vários países

Agora, um grupo de 75 cientistas de vários países pode ter confirmado essa hipótese. Eles analisaram o gás ao redor de galáxias e perceberam que se estende até cinco vezes mais longe do que se imaginava. Isso representa um volume 125 vezes maior do que o estimado anteriormente, o que ajudaria a explicar onde estava toda essa matéria “desaparecida”.

“Achamos que, à medida que nos afastamos das galáxias, recuperamos todo o gás perdido”, explicou a pesquisadora Boryana Hadzhiyska, da Universidade da Califórnia em Berkeley, nos EUA, em um comunicado. No entanto, ela alerta que mais estudos e simulações são necessários para confirmar se realmente encontraram tudo. “Queremos fazer um trabalho cuidadoso”.

Outra pesquisadora envolvida no estudo, Simone Ferraro, disse que os resultados são coerentes com a ideia de que todo o gás foi encontrado. A descoberta pode representar uma grande virada para a cosmologia moderna, encerrando uma busca de décadas.

Buracos negros podem estar mais ativos do que se pensava

Além de explicar a matéria perdida, o estudo também oferece pistas sobre o comportamento dos buracos negros supermassivos que ficam no centro das galáxias. Segundo os pesquisadores, esses buracos negros podem estar mais ativos do que se pensava.

A equipe acredita que o gás ionizado foi expelido para longe das galáxias por causa da atividade desses buracos negros gigantes. Para o gás chegar a distâncias tão grandes, é necessário um processo muito poderoso – ou seja, os buracos negros devem estar ejetando esse material com mais força do que se imaginava até agora.

Outro indício disso é a forma como o gás está distribuído: ele parece formar filamentos, como fios esticados no espaço, e não uma nuvem uniforme. Isso reforça a ideia de que há um mecanismo ativo empurrando o material para longe do centro galáctico.

Radiação cósmica de fundo ajuda a revelar a presença de gás

Para fazer essa descoberta, os cientistas usaram uma técnica incomum. Em vez de tentar ver diretamente o gás, empilharam imagens de cerca de sete milhões de galáxias vermelhas, localizadas a até oito bilhões de anos-luz da Terra. Com isso, puderam analisar como essas regiões interferem na radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Essa radiação é uma espécie de “eco” do Big Bang que preenche o Universo. Ela serve como uma luz de fundo que pode ser usada para revelar a presença de gás, mesmo que ele seja escuro e difícil de enxergar. Ao comparar como a radiação é espalhada perto das galáxias e nas regiões entre elas, foi possível identificar o gás invisível.

Mapa da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Os círculos destacam pontos onde o gás hidrogênio ionizado espalhou a radiação, deixando uma assinatura que pode ser usada para estimar a quantidade de gás ao redor das galáxias. Crédito: AGIR; Louis et al

“A radiação cósmica de fundo está por trás de tudo o que vemos no Universo. É como a borda do Universo observável”, explicou Ferraro. “Você pode usá-la como uma lanterna para enxergar onde está o gás”. Essa abordagem tem a vantagem de não depender da temperatura do gás, apenas da sua quantidade.

As galáxias vermelhas usadas no estudo são antigas e não produzem muitas estrelas atualmente. Por isso, seus buracos negros centrais eram considerados inativos. Mas os resultados sugerem que talvez seja necessário rever essa ideia.

Entender melhor onde está a matéria comum pode ajudar em outro mistério: o da matéria escura. A forma como o gás se espalha pode indicar se há algo invisível influenciando sua distribuição. No entanto, os dados iniciais não batem com o que se esperaria caso a matéria escura tivesse papel importante nessa dispersão.

Ou seja, por enquanto, a matéria comum pode ter sido encontrada, mas a matéria escura continua sendo um enigma. Mesmo assim, o avanço representa um grande passo para compreender a estrutura e a evolução do Universo.

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Você existe graças ao desequilíbrio entre matéria e antimatéria no Universo

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Um estudo aceito para publicação pela revista Nature, disponível no repositório de pré-impressão arXiv, pode ter revelado pistas para um dos maiores mistérios da física: por que o Universo é dominado pela matéria. 

Se o Big Bang tivesse criado quantidades iguais de matéria e antimatéria, elas deveriam ter se aniquilado completamente, restando apenas energia. No entanto, algo rompeu esse equilíbrio, permitindo a formação de estrelas, planetas e vida. E é por isso que nós existimos.

Em poucas palavras:

  • Existe uma assimetria entre matéria e antimatéria no Universo;
  • Um novo estudo encontrou violação da simetria CP em bárions lambda de beleza (Λb);
  • Essa violação nunca havia sido observada em bárions, apenas em mésons;
  • A taxa de decaimento de matéria e antimatéria diferiu em 2,45%;
  • O achado sugere possíveis falhas no Modelo Padrão da física;
  • Isso pode explicar por que o Universo é dominado pela matéria.

Pesquisadores do CERN (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear) analisaram dados do Grande Colisor de Hádrons (LHC) e encontraram evidências de que a matéria e a antimatéria não se comportam de maneira perfeitamente simétrica. O estudo revela uma diferença nos decaimentos de bárions lambda de beleza (Λb) e suas antipartículas, indicando a violação da chamada simetria de paridade de carga (CP).

Representação gráfica de como as partículas e antipartículas Λb são produzidas e como elas decaem antes de serem detectadas no LHCb. Crédito: Colaboração LHCb

A simetria CP sugere que as leis da física devem permanecer as mesmas caso todas as partículas troquem suas cargas e coordenadas espaciais. No entanto, experimentos anteriores já haviam mostrado que essa simetria nem sempre se mantém. Em 1964, cientistas observaram que os mésons K2 ocasionalmente decaíam de maneira inesperada, contrariando essa regra.

Desde então, outras partículas apresentaram a mesma violação de CP, mas apenas entre os mésons, um grupo de partículas instáveis. A novidade do estudo é que, pela primeira vez, a violação foi detectada em bárions, uma classe de partículas mais massivas que formam a maior parte da matéria visível do Universo, incluindo prótons e nêutrons.

Os pesquisadores analisaram dados das duas primeiras fases de operação do LHC, entre 2009 e 2018, examinando dezenas de milhares de decaimentos de Λb e anti-Λb. Eles observaram que a taxa de decaimento das antipartículas diferia das partículas em cerca de 2,45%. Esse resultado tem um desvio padrão de 5,2, o que significa que a descoberta é estatisticamente significativa e pode ser considerada uma evidência sólida de violação de CP.

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Como foi detectada a assimetria entre matéria e antimatéria no Universo

Em um comunicado, Vincenzo Vagnoni, porta-voz da colaboração LHCb, disse que a identificação desse fenômeno em bárions só foi possível graças à capacidade do LHC de produzir grandes quantidades dessas partículas. “Precisávamos de uma máquina como o LHC para gerar um número suficiente de bárions de beleza e suas antipartículas, além de um experimento capaz de identificar seus produtos de decomposição”. 

Foram necessários mais de 80 mil decaimentos analisados para detectar a assimetria entre matéria e antimatéria.

Uma forma de entender o conceito de antimatéria é comparar duas maçãs aparentemente iguais, mas com cargas diferentes
Uma forma de entender o conceito de antimatéria é comparar duas maçãs aparentemente iguais, mas com cargas diferentes. Imagem: Layse Ventura via Dall-E 3 / Olhar Digital

Essa descoberta pode fornecer pistas sobre novas forças fundamentais e partículas que ainda não foram detectadas. Se outras partículas também apresentarem esse comportamento, isso pode indicar falhas no Modelo Padrão da física, o conjunto de teorias que descreve as partículas elementares e suas interações.

“Quanto mais sistemas observamos com violação de CP e quanto mais precisas forem as medições, maior a chance de encontrarmos física além do Modelo Padrão”, afirma Vagnoni.

O estudo representa um passo importante para entender por que a antimatéria não aniquilou toda a matéria do Universo, permitindo a existência do cosmos como o conhecemos.

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Estado inédito “meio gelo, meio fogo” é descoberto em matéria exótica

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Uma pesquisa publicada na revista Physical Review Letters revelou um novo estado exótico da matéria dentro de outro já conhecido. A descoberta ocorreu em um composto magnético identificado em 2016, chamado de fase “meio fogo, meio gelo”, encontrado no material Sr₃CuIrO₆, que contém estrôncio, cobre, irídio e oxigênio. 

Agora, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL), nos EUA, identificaram o estado oposto: a fase “meio gelo, meio fogo”, na qual os elétrons trocam seus padrões de comportamento.

O conceito-chave para entender essas fases é a frustração magnética, que descreve como as interações entre partículas vizinhas podem gerar estados instáveis. Pequenas alterações podem desencadear mudanças significativas, propagando-se como uma reação em cadeia. 

No estado “meio fogo, meio gelo”, os elétrons no cobre permanecem desordenados, como chamas agitadas, enquanto os do irídio se mantêm organizados, criando uma estrutura magnética estável.

A inversão desse estado parecia impossível, pois o modelo matemático usado para descrever essa transição não previa mudanças espontâneas de fase. No entanto, os pesquisadores descobriram que, sob certas condições de temperatura, o sistema se reorganiza. Esse efeito resulta na formação da fase “meio gelo, meio fogo”, em que os elétrons do cobre se ordenam e os do irídio passam a se comportar de forma caótica.

Diagrama mostra uma interpretação gráfica dos estados “meio gelo, meio fogo” e “meio fogo, meio gelo” (à esquerda). O gráfico à direita mostra a mudança de entropia magnética no plano do campo magnético (h) versus temperatura (T). O ponto preto na temperatura zero indica onde o estado meio fogo e meio gelo aparece. A linha tracejada indica onde o estado meio gelo e meio fogo se esconde. Crédito: Laboratório Nacional de Brookhaven

Diferença está na organização dos elétrons

A principal diferença entre esses estados está na organização dos elétrons nos dois elementos. No estado original, o cobre é caótico e o irídio é estável. No estado inverso, o papel de cada um se inverte. Essa descoberta é relevante porque a manipulação precisa dessas transições pode ser aplicada em tecnologia quântica, como na criação de qubits ajustáveis, fundamentais para a computação quântica.

Os materiais magnéticos exibem diversas configurações. Em imãs convencionais, os elétrons giram na mesma direção, criando um campo magnético forte. Já em materiais como Sr₃CuIrO₆, há duas populações de elétrons com comportamentos distintos, formando estados de magnetismo misto. A fase “meio fogo, meio gelo” pode ser induzida por um campo magnético externo, causando uma reorganização nos spins dos elétrons.

O problema era que essa fase, por si só, não sugeria aplicações práticas, pois as mudanças de estado não eram facilmente controláveis. Como os qubits dependem da manipulação dos spins dos elétrons, a existência de uma fase reversível poderia abrir novas possibilidades para o desenvolvimento de dispositivos quânticos. Essa reversibilidade era a peça que faltava para compreender o comportamento desse material.

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Matéria pode ter mudança de fase controlada

A descoberta da fase “meio gelo, meio fogo” preenche essa lacuna. Os pesquisadores observaram que, em uma faixa estreita de temperatura, ocorre uma transição espontânea entre os dois estados. Isso significa que é possível controlar rigorosamente as mudanças de fase, tornando o material mais útil para aplicações tecnológicas avançadas.

Embora o estudo represente um avanço significativo, ainda há muito a ser explorado. Os pesquisadores planejam investigar se esse fenômeno ocorre em outros sistemas, especialmente aqueles com spins quânticos e outras interações complexas.

Alexei Tsvelik (à esquerda) e Weiguo Yin (Kevin Coughlin), descobridores do novo estado da matéria. Crédito: Laboratório Nacional de Brookhaven

“Encontrar novos estados com propriedades físicas exóticas – e ser capaz de entender e controlar as transições entre esses estados – são problemas centrais nos campos da física da matéria condensada e da ciência dos materiais”, disse Weiguo Yin, físico do BNL, em um comunicado. “Resolver esses problemas pode levar a grandes avanços em tecnologias como computação quântica e spintrônica”.

Para Alexei Tsvelik, também do BNL e parceiro de Yin na pesquisa, as novas descobertas “podem abrir uma nova porta para entender e controlar fases e transições de fase em certos materiais”.

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Físicos criam nova fase da matéria no centro de um diamante

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Um artigo recém-publicado na revista Physical Review X relata uma descoberta surpreendente: cientistas criaram uma nova fase da matéria chamada quasicristal do tempo dentro de um diamante. Esse avanço desafia as noções convencionais de tempo e movimento, abrindo caminho para aplicações inovadoras em computação quântica e sensores de precisão.

Os responsáveis pelo estudo são Kater Murch e Chong Zu, físicos da Universidade de Washington em St. Louis, além de alunos de pós-graduação e pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e da Universidade de Harvard – todas nos EUA.

A equipe desenvolveu essa estrutura única dentro de um diamante, explorando propriedades quânticas para criar um padrão de oscilação temporal sem precedentes.

Rigidez dos quasicristais de tempo. Crédito: He, Guanghui and Ye, Bingtian and Gong, Ruotian and Yao, Changyu and Liu, Zhongyuan and Murch, Kater W. and Yao, Norman Y. and Zu, Chong/Physical Review X (2025)

Criar um quasicristal do tempo em um diamante exige alta precisão

Os cristais do tempo foram teorizados em 2012 por Frank Wilczek, ganhador do Nobel de Física em 2004, e, anos mais tarde, confirmados experimentalmente. 

Diferentemente dos cristais convencionais, que possuem uma estrutura ordenada no espaço, os cristais do tempo apresentam padrões que se repetem no tempo. Isso significa que suas partículas vibram em ciclos regulares sem a necessidade de energia externa, como um relógio que nunca precisa ser recarregado.

O novo estudo avança ainda mais ao criar um quasicristal do tempo. Enquanto os cristais do tempo comuns apresentam oscilações que seguem um único ritmo, os quasicristais têm padrões temporais mais complexos, com múltiplas frequências organizadas de forma precisa. Essa propriedade os torna ainda mais intrigantes para a pesquisa em mecânica quântica.

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A equipe construiu esses quasicristais dentro de um minúsculo pedaço de diamante, de apenas um milímetro. Utilizando feixes de nitrogênio, eles removeram átomos de carbono da estrutura do diamante, criando pequenas lacunas. Nesses espaços, elétrons se acomodam e interagem de maneira quântica, formando um sistema altamente organizado. Para iniciar as oscilações temporais, os pesquisadores aplicaram pulsos de micro-ondas, que estabeleceram os ritmos característicos do quasicristal do tempo.

Cada quasicristal formado possui cerca de um micrômetro de diâmetro, sendo invisível a olho nu. No entanto, a organização e precisão dessas estruturas permitem que elas sejam estudadas e, futuramente, aplicadas em novas tecnologias.

Os pesquisadores construíram esses quasicristais dentro de um minúsculo pedaço de diamante, de apenas um milímetro – imagem meramente ilustrativa. Crédito: Lane V. Erickson – Shutterstock

Descoberta pode ser aplicada em variadas áreas

De acordo com um comunicado da equipe, um dos usos potenciais está na criação de sensores quânticos altamente sensíveis, capazes de detectar variações sutis de campos magnéticos sem necessidade de calibração constante.

Outra possível aplicação envolve a cronometragem de alta precisão. Atualmente, relógios e dispositivos eletrônicos utilizam osciladores de quartzo para manter o tempo, mas esses componentes sofrem pequenas variações ao longo do tempo. Cristais do tempo, por outro lado, poderiam fornecer um tique estável com mínima perda de energia, aprimorando tecnologias que dependem de medidas temporais exatas.

No campo da computação quântica, os cristais do tempo podem desempenhar um papel revolucionário. Em teoria, sua capacidade de manter estados quânticos por longos períodos os torna candidatos promissores para armazenar memória quântica de forma mais eficiente do que as tecnologias atuais. Embora ainda seja um conceito distante da aplicação prática, a criação do quasicristal do tempo representa um avanço significativo nessa direção.

Apesar do progresso, os pesquisadores ainda enfrentam desafios para entender completamente o comportamento dessas estruturas e como aproveitar suas propriedades em dispositivos funcionais. O próximo passo será aprimorar os métodos de controle e leitura desses cristais para torná-los úteis em aplicações reais.

O estudo reforça a importância da mecânica quântica na descoberta de novas formas de matéria e no desenvolvimento de tecnologias que podem transformar a computação, a comunicação e a medição de tempo. Se os cristais do tempo já eram fascinantes, os quasicristais do tempo elevam essa pesquisa a um novo patamar.

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