07/12/2017 ⌙ astrofísica , ciência , cosmologia , divulgação científica , exatas , física , física de partículas , matéria escura
SIMPlificando a matéria escura
Renato Pincelli
Faz vinte anos que os cientistas quebram a cabeça em busca de uma partícula que explique a matéria-escura. Para um professor japonês, a solução deve ser mais simples do que se pensa.
Sabe quando você tem um problema e fica tão encafifado que ele parece mais complicado do que realmente é? A mesma coisa está acontecendo com os físicos e astrofísicos que estão em busca de uma explicação para a matéria-escura. MACHOs, WIMPs e áxions são alguns candidatos a partícula de matéria-escura de nome complicado e que, apesar da abundância desse tipo de matéria, ainda não foram observados. Haveria algo mais simples que deixamos passar?
Quando perceberam que havia matéria que parecia estar faltando no universo, os cientistas inicialmente pensaram que não era nada de extraordinário: seriam apenas halos de objetos compactos massivos (MACHOs, na sigla em inglês). MACHOs seriam matéria escura, escura mesmo, com uma luminosidade fraca demais para ser detectada — estrelas abortadas, anãs marrons e buracos-negros, por exemplo. Assim, não haveria nada de exótico, apenas algo obscuro por trás da matéria-escura.
No entanto, as simulações teóricas e as primeiras evidências observacionais começaram a apontar características incomuns para a matéria-escura. Primeiro, ela seria extremamente comum, formando cerca de 85% da massa do universo. Segundo, ela seria algo diferente da matéria comum, formada por partículas grandalhonas e, exceto pela gravidade, teria fraca interação com o resto do universo. A partir daí veio outro modelo, o das partículas massivas fracamente interativas ou WIMPs. Quando se diz que são fracamente interativas, os cientistas querem dizer que as WIMPs são como uma família de tímidos: elas interagem muito pouco com a matéria comum e menos ainda entre si mesmas. Com partículas tão grandes — até 100 vezes mais pesadas que um próton — não seria muito difícil encontrar alguma WIMP por aí.
Só que isso (ainda) não aconteceu. Nem mesmo o LHC, o gigantesco acelerador de partículas escondido no subsolo da fronteira franco-suíça conseguiu detectar uma WIMP. O máximo que descobriram foram limites muito restritos para esse tipo de partícula: uma WIMP seria tão fracamente interativa que só deixaria rastros nos neutrinos que, por sua vez, são bem difíceis de detectar justamente pela fraquíssima interação que têm com a matéria comum. Para ter uma noção disso, saiba que 100 trilhões de neutrinos atravessam seu corpo a cada segundo e mesmo assim nenhum deixa rastros dessa passagem.
Dada a crescente dificuldade com os MACHOs e os WIMPs, é natural que surjam novos modelos para tentar explicar a matéria-escura. Um desses modelos alternativos chama-se SIMP e foi proposto há três anos por Hitoshi Murayama [à esquerda], físico teórico da Universidade da Califórnia em Berkeley (UCB) e seu então pós-doutorando Yonit Hochberg, que atualmente está na Universidade Hebraica de Israel. Murayama discutiu seu modelo e apresentou evidências a seu favor num recente simpósio de astrofísica relativística realizado na Cidade do Cabo (África do Sul).
Como as outras candidatas a matéria escura, a SIMP teria sido formada em grandes quantidades nos primórdios da existência do universo. Diferente das WIMPs, porém, as SIMPs seriam capazes de interagir fortemente entre si por meio da gravidade mas não com a matéria comum. Daí o seu nome completo: partículas massivas fortemente interativas ou SIMP na sigla inglesa. Ainda não se sabe ao certo como seria uma SIMP, mas uma possibilidade discutida pelo prof. Murayama é que uma SIMP seria composta por um novo tipo de combinação entre quarks — as subpartículas que formam os prótons e nêutrons. Enquanto a matéria comum é formada por combinações de três quarks, uma SIMP seria mais simples e teria apenas dois: um quark e um antiquark.
Uma partícula assim já foi detectada — é o píon da casa própria, formado por um quark up e um antiquark down ligados por um glúon [à esq., na ilustração acima]. Um SIMP seguiria basicamente a mesma estrutura quark-antiquark-glúon [à direita] e seria menor que um WIMP, com mais ou menos o mesmo tamanho de um átomo comum. Sendo menor e mais parecido com a matéria comum, as SIMPs seriam partículas muito mais numerosas e poderiam deixar rastros detectáveis. Isso não quer dizer que seria mais fácil encontrá-las, mas Murayama acredita ter encontrado uma evidência a favor de sua teoria num acidente de trânsito de proporções intergalácticas.
Imagine quatro caminhões batendo entre si no cruzamento entre duas ruas. Seria uma batida feia, mas nem tanto se eles pudessem frear um pouco. Algo parecido — mas numa escala muitíssimo maior — está acontecendo no aglomerado Abell 3827 [abaixo], onde quatro galáxias estão colidindo. Observações de galáxias são a principal forma de ver, ainda que indiretamente, a matéria-escura. Essas imensas coleções de estrelas apoiam-se em camadas ou halos de matéria-escura, cuja massa acaba servindo como um aglutinante gravitacional que mantém junto tudo o que a galáxia contém: estrelas, poeira, planetas e luas.
Normalmente, a matéria-escura acompanha fielmente a matéria comum das galáxias: ambas giram conjuntamente, com uma velocidade uniforme. O que Abell 3287 tem de extraordinário é algo como um descolamento entre os dois tipos de matéria: enquanto a matéria comum está avançando, a matéria-escura está ficando mais lenta. É como se a matéria comum fosse as pessoas indo pra frente dentro de um carro formado por matéria escura e que está freando. Esse tipo de interação, uma espécie de “força escura” parecida com o atrito (ou a inércia), dificulta a fusão das massas galácticas de matéria-escura mas não interfere na conjunção da matéria comum — e para Murayama é uma evidência notável a favor das SIMPs.
Uma maneira de entender esse fenômeno, explica Murayama ao Phys.org, é que “a matéria-escura está ficando pra trás da luminosa por ter um tamanho finito e interagir entre si, de modo que quando elas querem ir pra frente, o resto do sistema as empurra pra trás. Isso explicaria a observação [de Abell 3827] e é o tipo de coisa prevista pela minha teoria da matéria-escura como um estado limitado de um novo tipo de quarks“. Outra vantagem da SIMP é que ela parece explicar melhor a distribuição de matéria-escura em galáxias menores.
Em galáxias pequenas [como as retratadas acima], onde há proporcionalmente mais matéria-escura do que visível, o modelo WIMP supõe que haja uma massa mais densa de matéria-escura no centro, como se fosse um núcleo [à esq.]. Evidências observacionais de pequenas galáxias têm indicado o oposto: uma distribuição mais homogênea de matéria-escura, sem a existência de um núcleo denso [à dir.]. Essas evidências se coadunam com as previsões do modelo SIMP, que preveem que a matéria-escura se espalha de maneira difusa, do meio para fora das mini-galáxias, sem um núcleo.
Outra vantagem das SIMPs é que elas seriam mais fáceis de observar diretamente em experimentos realizados no LHC ou no futuro ILC, o Colisor Linear Internacional, a ser construído no Japão. No momento, Murayama está refinando seu modelo para planejar futuras experiências de detecção direta. Enquanto isso não acontece, as buscas por WIMPs e por modelos alternativos continuam. Outra possibilidade teórica que vem sendo bastante explorada experimentalmente é a existência de partículas chamadas áxions. Entre as várias experiências que tentam capturar algum áxion está a CASPEr (Cosmic Axion Spin-Precession Experiment), que quer ver áxions causam perturbações no spin dos núcleos atômicos — curiosamente, a CASPEr fica num laboratório vizinho ao de Murayama na UCB.
O próprio Murayama reconhece que seu modelo ainda é muito novo e está longe de ser um consenso. Para isso vai ser necessário bem mais do que a observação de uma curiosa trombada galáctica. Ainda é cedo para abrir mão das WIMPs ou dos áxions, mas talvez seja hora de começar a levar a sério algo mais simples. Ou melhor, mais SIMP.
label áxions , MACHO , Phys.org , SIMPS , WIMPS
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Por Renato Pincelli, um punhado de material cósmico, composto principalmente de carbono e hidrogênio; um animal, cordado, mamífero, primata e hominídeo pensante (divulgador científico, bibliotecário e k-popper que não tem twitter porque detesta limite de caracteres)
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