A maior parte do peso do universo, por incrível que pareça, poderia vir na forma de partículas bilhões de vezes mais leves que o elétron – um peso pluma em si, conforme as partículas vão. Fluindo através do cosmos em hordas grossas, essas partículas finas de “axion” poderiam causar uma colisão, já que a matéria escura que parece compensar toda a matéria visível é de 6 para 1.
Por décadas, os físicos têm procurado o principal rival do axion: um candidato lento e muito mais pesado à matéria escura conhecido como WIMP (por “partículas maciças que interagem fracamente”). Mas as experiências WIMP permanecem de mãos vazias à medida que os pesquisadores se aproximam dos limites de seu campo de pesquisa, enquanto a busca pelo axion está apenas começando.
“A matéria escura ainda pode ser WIMPs, mas todos os dias parece um pouco menos provável”, disse Ben Safdi, físico da Universidade de Michigan, especializado em matéria escura. O axion “é o melhor candidato à matéria escura que temos no momento”, disse ele, já que outros não compareceram nos experimentos.
O Axion Dark Matter Experiment (ADMX) da Universidade de Washington no ano passado se tornou o primeiro experimento sensível o suficiente para detectar o tipo mais provável de axion, e a equipe experimental anunciou recentemente os resultados de sua última pesquisa. Eles não localizaram nenhum axion. Mas, como relataram em um artigo atualmente em revisão para publicação em Physical Review Letters, eles foram capazes de descartar uma faixa de possíveis massas axiais quatro vezes mais amplas do que a faixa de massa que eles exploraram em sua primeira execução. A ADMX continua a varrer os locais onde um axion provavelmente está escondido. “Eles estão liderando a busca”, disse Safdi.
O axion atrai os que nele acreditam porque poderia resolver dois enigmas ao mesmo tempo. Sua presença invisível explicaria por que o universo age muito mais pesado do que parece. E a partícula também mostraria por que as duas forças fundamentais que moldam os núcleos atômicos seguem diferentes manuais de regras – e é por isso que os físicos criaram o axion em primeiro lugar, na década de 1970.
“O axion seria uma espécie de primo espiritual para o fóton, mas com apenas uma pitada de massa.”
O quebra-cabeça é que a forte força nuclear organiza partículas dentro do nêutron, conhecidas como quarks, de modo que sua carga geral aparentemente nunca cresça de maneira desigual. Essa propriedade mostra uma equanimidade peculiar por parte do nêutron chamada simetria de paridade de carga (CP): inverter a carga de cada quarks e refletir todas elas em um espelho não afeta o comportamento do nêutron. Um nêutron com carga desequilibrada falharia com a simetria da CP, porque refleti-lo alteraria seu campo elétrico em relação ao seu momento angular intrínseco, um efeito semelhante a olhar no espelho e se ver vestindo seu suéter nas pernas e os jeans no torso. Os nêutrons reais têm a mesma aparência no espelho, pois as experiências os descobriram eletricamente uniformes para pelo menos uma parte em um bilhão.
Essa simetria seria ótima se os físicos não tivessem descoberto em 1964 que a força nuclear fraca não a compartilha: Partículas de dois quarks chamadas caos neutros decaem de maneira que a simetria da CP proíbe. Como os quarks estão envolvidos nos dois casos, os especialistas esperariam que a quebra de simetria da força fraca se estendesse também à força forte. De repente, a distribuição impecável de cargas do nêutron se tornou um quebra-cabeça – o “forte problema de CP”.
O axion representa a solução principal, embora os teóricos que lançaram as bases para isso não tenham visto imediatamente o quadro completo. “Na verdade, eu escrevi as equações meio que falsificando-as para fazê-las funcionar“, disse Helen Quinn, que propôs uma maneira de restaurar o equilíbrio da força forte junto com Roberto Peccei em 1977.
O forte problema de CP se resume ao valor inesperado de uma constante – um ângulo denominado ? ou teta – nas equações que descrevem a força forte. Seu valor parece ser zero, o que faz com que as cargas do nêutron permaneçam alinhadas. Mas, para os muitos outros valores que ? poderia levar, os quarks se perdiam. Depois de alguns truques, Quinn e Peccei promoveram ? de uma constante para um campo que permeia o espaço, com um valor que naturalmente poderia se estabelecer como zero em todos os lugares. Quinn compara seu modelo a um chapéu-coco inclinado: uma bola pode começar em qualquer ângulo ao redor da borda, mas sempre rolará para o fundo. Dois outros teóricos, Steven Weinberg e Frank Wilczek, logo observaram que o campo de Peccei-Quinn requer uma partícula – uma excitação no campo – e o axion nasceu.
Então, na década de 1980, observações das velocidades de rotação das galáxias e outras evidências sugeriram cada vez mais que uma enorme quantidade de matéria do universo é invisível, interagindo com tudo o mais principalmente através de sua gravidade. A crescente evidência de matéria escura levou Pierre Sikivie, físico teórico da Universidade da Flórida, a calcular o quão invisível o axion poderia ser.
Sikivie explicou em uma entrevista que o axion seria uma espécie de primo espiritual para o fóton, mas com apenas uma pitada de massa. Como o fóton – a partícula de luz e o eletromagnetismo – é governado pelas equações de Maxwell, Sikivie aprimorou a teoria clássica para incorporar o axion e descobriu que apenas os axions podem empacotar o universo com força suficiente para adicionar a matéria escura que falta.
Ele também calculou que os axions não seriam completamente indetectáveis; de vez em quando eles se transformavam em dois fótons. Ele percebeu que saturar uma área com um forte campo magnético (e, portanto, muitos fótons) estimularia o decaimento do axion, assim como os fótons facilitam a emissão de outros fótons nos lasers. Também como os fótons, os axions são muito semelhantes a ondas, caindo na extremidade ondulada da dualidade onda-partícula. Sua massa minúscula os torna ondas de energia extremamente baixa, com comprimentos de onda em algum lugar entre um edifício e um campo de futebol.
Sikivie percebeu que a chave para convencer esses axions de baixa energia a se transformarem em fótons seria um dispositivo que pudesse ser ajustado para ressoar exatamente no mesmo comprimento de onda dos axions. Ele imaginou uma máquina chamada haloscópio que amplificaria um sinal, essencialmente tocando como uma campainha quando um axion se deteriorava.
A implementação das noções de Sikivie levou mais de 30 anos, mas o ADMX agora é sensível o suficiente para detectar eixos com massas que os teóricos consideram mais plausíveis, mesmo se as partículas decaírem nas taxas teóricas mais baixas. Com um ímã potente em uma geladeira gelada quase até o zero absoluto, o ADMX ajusta lentamente sua ressonância e procura axions. A frequência com que o ímã pode transformar um axion em dois fótons é desconhecida, mas com quadrilhões de axions potencialmente passando pelo experimento a cada segundo, uma detecção se tornaria clara rapidamente.
Em sua primeira execução, relatada no ano passado, o experimento variou de 0,65 a quase 0,68 gigahertz, procurando excesso de energia dos fótons gerados por axions; este ano a colaboração continuou em 0,8 gigahertz. Essas frequências significam que o experimento descartou eixos que pesam entre 187 bilhões de vezes e 151 bilhões de vezes menos que o elétron, com faixas mais amplas por vir. “Estamos começando a pegar pedaços cada vez maiores”, disse Gianpaolo Carosi, membro da colaboração.
O grupo espera atingir pelo menos 2 gigahertz nos próximos anos e espera chegar a 10 gigahertz, o que corresponderia a um axion 12 bilhões de vezes mais leve que o elétron. As estimativas variam, mas a maioria dos teóricos diz que um axion que tem dupla função, tanto a matéria escura quanto o fixador de nêutrons devem estar em algum lugar dentro desse intervalo.
Se não ouvir nada além de estática, a ADMX não contestará a existência de axions. Frequências de alguns gigahertz correspondem aos esquemas mais simples de matéria escura, mas alguns teóricos elaboraram receitas mais complexas. E se a matéria escura é uma mistura de axions e algo mais, axions podem abranger uma faixa de massa superior a 10 ordens de magnitude.
Porém, à medida que outros candidatos promissores à matéria escura não se materializam, mais grupos experimentais estão se voltando para axions. Alguns estão desenvolvendo dispositivos magnéticos terrestres como o ADMX, enquanto outros planejam escanear as ondas de rádio provenientes dos mais poderosos ímãs da natureza – estrelas de nêutrons. Juntas, essas equipes podem um dia cobrir a maioria das frequências possíveis.
Uma descoberta reescreveria permanentemente as leis da física e cosmologia de partículas, mas hoje os axions permanecem inteiramente hipotéticos. Quinn apenas se sente humilhada por suas reflexões terem lançado uma equipe de busca tão formidável. “Roberto e eu passamos alguns meses elaborando essa teoria”, disse ela, “e agora os experimentalistas passaram 40 anos procurando por ela”.
Publicado em 29/11/2019
Artigo original: https://www.quantamagazine.org/why-dark-matter-might-be-axions-20191127/
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