O enigma mais profundo da física moderna é se existem ou não campos escalares fundamentais na natureza. Estes fazem há muito parte modelo-padrão da física de partículas, nomeadamente através do campo de Higgs, que se pensa ser responsável por dotar de massa os constituintes da matéria (para além de tornar a teoria invariante de gauge). Por outro lado, a gravitação de Einstein não usa qualquer campo escalar. Tal é um facto notável, porque quase todas as teorias gravitacionais consistentes concebíveis (da gravitação Newtoniana às teorias com dimensões adicionaius, como a teoria de cordas) os incluem. O facto de o único campo gravitacional no Universo ser um tensor de segunda ordem (a métrica) é, até certo ponto, o que define a gravitação de Einstein.
Apesar de a Cosmologia ter entrado recentemente numa era de precisão, tal sucedeu com o preço de 96% do conteúdo do Universo se encontrar numa forma ainda descomhecida. Estes desenvolvimentos também sugerem que os campos escalares são igualmente importantes em Cosmologia. São os candidatos preferenciais para resolver enigmas cruciais, incluindo a expansão exponencial do Universo primitivo (chamada inflação) e a energia escura que está a acelerá-lo presentemente, e podem também contribuir para a formação de estruturas no Universo e a possível variação das constantes fundamentais da natureza.
Até ao presente as buscas têm-se concentrado em experiências em aceleradores (sendo o HLC o exemplo mais recente), mas se eles existirem terão também impressões digitais cosmológicas. Este projecto identificará e explorará sondas gravitacionais cruciais do lado escuro do Universo e da física fundamental. Especificamente, procuraremos indícios de campos escalares em Cosmologia, obtendo as mais fortes restrições observacionais sobre a sua presença até à data, ou possivelmente uma detecção. A equipa é presentemente pequena mas experiente e extremamente activa neste campo e com fortes laçõs internacionais. Com os recursos humanos adicionais que solicitamos terá um impacto duradouro neste domínio.
O projecto inclui trabalho pioneiro em três linhas de investigação interligadas (energia escura dinâmica, variação de constantes fundamentais e fontes de não-gaussianidades) e contribuições para a próxima geração de missões espaciais como o Planck Surveyor e EUCLID (da ESA) e instrumentos no solo como o ESPRESSO e CODEX (do ESO). Os nossos objectivos-chave são:
- A obtensão de novas e mais precisas medições da constante de estrutura fina alpha e do quociente das massas do protão e electrão mu, através de observações dedicadas nos melhores telescópios do mundo, incluindo um ESO Large Programme recentemente aprovado (PI: Paolo Molaro) e novas medições com o espectrágrafo PEPSI no LBT. A precisão das medições actuais será melhorada por um factor 6-10, e desencolveremos o caso científico para futaros espectrógrafos de elevada resolução e estabilidade.
- A realização de estudos de viabilidade de novos métodos observacionais, incluindo métodos para testar a relação temperatura-redshift e a utilização de medições de cosntantes fundamentais como sondas da energia escura (uma técnica desenvolvida pela nossa equipa).
- A realização de simulações de N-corpos e hidrodinâmicas pioneiras de uma larga gama de modelos de energia escura dinâmica, identificando diferenças observáveis e adquirindo experiência estrategicamente crucial para uma possível participação em missões futuras como o EUCLID.
- A aquisição de uma melhor compreensão das fontes cosmológicas de não-gaussianidades, incluindo as supercordas cósmicas, e das suas consequências para a radiação cósmica de micro-ondas e as estruturas de larga escala.
O painel internacional que em 2007 conduziu a avaliação das unidades de investigação Portuguesas reconheceu a excelência do CAUP e da nossa equipa (em termos do nosso historial de publicações e da nossa rede internacional de colaborações), expressando ao mesmo tempo preocupação no que diz respeito à falta de recursos humanos (que pode impedir-nos de estar internacionalmente activos em todos os nossos domínios de especialização). Este projecto é um passo crucial para resolver esta situação.