A matéria escura continua sendo um dos maiores mistérios da física moderna. É claro que deve existir, porque sem a matéria escura, por exemplo, o movimento das galáxias não pode ser explicado. Mas nunca foi possível detectar a matéria escura em um experimento.
Atualmente, existem muitas propostas para novos experimentos: Eles visam detectar a matéria escura diretamente por meio de sua dispersão dos constituintes dos núcleos atômicos de um meio de detecção, ou seja, prótons e nêutrons.
Uma equipe de pesquisadores – Robert McGehee e Aaron Pierce, da Universidade de Michigan, e Gilly Elor, da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz, na Alemanha – propôs agora um novo candidato para a matéria escura: HYPER, ou “Relíquias de partículas altamente interativas”.
No modelo HYPER, algum tempo após a formação da matéria escura no início do universo, a força de sua interação com a matéria normal aumenta abruptamente – o que, por um lado, a torna potencialmente detectável hoje e ao mesmo tempo pode explicar a abundância de matéria escura.
A nova diversidade no setor de matéria escura
Como a busca por partículas pesadas de matéria escura, ou os chamados WIMPS, ainda não levou ao sucesso, a comunidade de pesquisa está procurando por partículas alternativas de matéria escura, especialmente as mais leves. Ao mesmo tempo, espera-se genericamente transições de fase no setor escuro – afinal, existem várias no setor visível, dizem os pesquisadores. Mas estudos anteriores tenderam a negligenciá-los.
“Não existe um modelo de matéria escura consistente para a faixa de massa que alguns experimentos planejados esperam acessar. No entanto, nosso modelo HYPER ilustra que uma transição de fase pode realmente ajudar a tornar a matéria escura mais facilmente detectável”, disse Elor, um pesquisador de pós-doutorado. em física teórica na JGU.
O desafio para um modelo adequado: se a matéria escura interagir muito fortemente com a matéria normal, sua quantidade (conhecida com precisão) formada no início do universo seria muito pequena, contradizendo as observações astrofísicas. No entanto, se for produzido na quantidade certa, a interação seria, inversamente, muito fraca para detectar a matéria escura nos experimentos atuais.
“Nossa ideia central, subjacente ao modelo HYPER, é que a interação muda abruptamente uma vez – para que possamos ter o melhor dos dois mundos: a quantidade certa de matéria escura e uma grande interação para que possamos detectá-la”, disse McGehee.
E é assim que os pesquisadores a imaginam: na física de partículas, uma interação geralmente é mediada por uma partícula específica, o chamado mediador – e também a interação da matéria escura com a matéria normal. Tanto a formação da matéria escura quanto sua função de detecção por meio desse mediador, com a força da interação dependendo de sua massa: quanto maior a massa, mais fraca a interação.
O mediador deve primeiro ser pesado o suficiente para que a quantidade correta de matéria escura seja formada e, posteriormente, leve o suficiente para que a matéria escura seja detectada. A solução: houve uma transição de fase após a formação da matéria escura, durante a qual a massa do mediador diminuiu repentinamente.
“Assim, por um lado, a quantidade de matéria escura é mantida constante e, por outro lado, a interação é aumentada ou fortalecida de tal forma que a matéria escura deve ser diretamente detectável”, disse Pierce.
Novo modelo cobre quase toda a gama de parâmetros de experimentos planejados
“O modelo HYPER de matéria escura é capaz de cobrir quase todo o alcance que os novos experimentos tornam acessíveis”, disse Elor.
Especificamente, a equipe de pesquisa primeiro considerou a seção transversal máxima da interação mediada pelo mediador com os prótons e nêutrons de um núcleo atômico para ser consistente com as observações astrofísicas e certos decaimentos da física de partículas. O próximo passo foi considerar se havia um modelo de matéria escura que exibisse essa interação.
“E aqui surgiu a ideia da transição de fase”, disse McGehee. “Calculamos a quantidade de matéria escura que existe no universo e simulamos a transição de fase usando nossos cálculos”.
Há muitas restrições a serem consideradas, como uma quantidade constante de matéria escura.
“Aqui, temos que considerar sistematicamente e incluir muitos cenários, por exemplo, perguntando se é realmente certo que nosso mediador não leva repentinamente à formação de nova matéria escura, o que obviamente não deve acontecer”, disse Elor. “Mas, no final, estávamos convencidos de que nosso modelo HYPER funciona.”
Publicado em 23/03/2023 13h04
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