Físicos em busca da “mão invisível” que molda nosso universo e as galáxias dentro dele voltaram o olhar para o lado escuro… Especificamente, uma equipe está procurando por trás de cada rocha cósmica os chamados fótons escuros, que podem transmitir uma força da natureza anteriormente desconhecida.
Esses fótons mediariam a interação entre toda a matéria normal e o material invisível chamado matéria escura.
Mas os cientistas há muito entendem que a natureza é esticada, puxada, esmagada e dilacerada por quatro forças conhecidas; então, como outra força poderia se esconder de nós por tanto tempo? Essas quatro forças conhecidas constituem a pedra angular de nossa existência cotidiana: a força nuclear forte, tirânica, mas de curto alcance, que une núcleos atômicos; a força nuclear fraca, obscura e silenciosa, que controla o decaimento radioativo e fala com as partículas subatômicas chamadas neutrinos; a força eletromagnética ousada e brilhante que domina nossas vidas; e a força gravitacional sutil, de longe a mais fraca do quarteto.
Usando essas quatro forças fundamentais, os físicos são capazes de pintar um retrato de nossos mundos subatômicos e macroscópicos. Não há interação que não envolva uma dessas quatro forças. E, no entanto, ainda existem muitos mistérios em relação às interações em nosso universo, especialmente nas maiores escalas. Quando diminuímos o zoom para a escala de galáxias e além, ocorre algo suspeito, e damos a esse suspeito o nome de matéria escura.
A matéria escura é simples e sem adornos, ou esconde uma série de forças anteriormente desconhecidas em suas garras? Agora, uma equipe internacional de físicos, descrevendo seu trabalho on-line no jornal de pré-impressão arXiv (disponível aqui: https://arxiv.org/pdf/1906.00176.pdf ), usou um grupo de dados do Large Hadron Collider – o maior destruidor de átomos do mundo – para procurar tal força. Por enquanto, a pesquisa deles não identificou nada – o que até é bom (mais ou menos): significa que nossas leis conhecidas da física ainda se mantêm. Mas ainda não podemos explicar a matéria escura.
Perdido na escuridão
A matéria escura é uma forma hipotética de matéria que, segundo se diz, é responsável por cerca de 80% da massa total do universo. É meio que um “grande negócio”. Realmente não sabemos o que é responsável por todo esse material extra invisível, mas sabemos que ele existe, e nossa maior pista é a gravidade. Examinando os movimentos das estrelas nas galáxias e galáxias nos aglomerados, juntamente com a evolução das maiores estruturas do cosmos, os astrônomos chegaram quase universalmente à conclusão de que há mais do que aparece nos núcleos galácticos.
Um nome melhor para a matéria escura pode ser matéria invisível. Embora possamos deduzi-lo de sua influência gravitacional (porque nada escapa ao olho que tudo vê de Albert Einstein), a matéria escura simplesmente não interage com a luz. Sabemos disso porque se a matéria escura interagisse com a luz (ou, pelo menos, se interagisse com a luz da maneira que a matéria familiar faz), já teríamos visto a substância misteriosa até agora. Mas, tanto quanto podemos dizer, a matéria escura – qualquer que seja o inferno – não absorve a luz, reflete a luz, refrata a luz, dispersa a luz ou emite luz. Para a matéria escura, a luz é simplesmente persona non grata; pode muito bem nem existir.
E, portanto, há uma chance sólida de que legiões de partículas de matéria escura estejam fluindo pelo seu corpo agora. A massa combinada desse fluxo interminável pode moldar os destinos das galáxias por influência gravitacional, mas passa pela matéria normal sem um olá. Rude, eu sei, mas isso é assunto obscuro para você.
Trazendo à luz
Como não sabemos do que é feita a matéria escura, somos livres para criar todo tipo de cenário, tanto mundano quanto fantasioso. A imagem mais simples da matéria escura diz que é grande e básica. Sim, compõe a grande maioria da massa do universo, mas consiste em apenas uma única partícula altamente prolífica que não faz mais nada além de ter massa. Isso significa que o material pode se dar a conhecer através da gravidade, mas de outra forma nunca interage com nenhuma das outras forças. Nunca, jamais, vislumbramos matéria escura fazendo qualquer outra coisa.
Os cenários fantasiosos são mais divertidos.
Quando os teóricos ficam entediados, eles criam idéias para o que a matéria escura poderia ser e, mais importante, como poderíamos detectá-la. O próximo nível na escala de teorias interessantes da matéria escura diz que a substância pode ocasionalmente falar com a matéria normal através da força nuclear fraca. Essa ideia motiva hoje experimentos e detectores de matéria escura em todo o mundo.
Mas, ainda assim, esse cenário assume que ainda existem apenas quatro forças da natureza. Se a matéria escura é um tipo de partícula anteriormente invisível, é perfeitamente razoável sugerir (porque não temos ideia se estamos certos ou não) que ela vem embalada com uma força da natureza anteriormente desconhecida – ou talvez um casal, que sabe ? Essa força potencial pode permitir que a matéria escura fale apenas com a matéria escura, ou pode entrelaçar matéria escura e energia escura (o que também não entendemos), ou abrir um novo canal de comunicação entre os setores normais e escuros de nosso universo.
Ascensão do fóton escuro
Um portal de comunicação proposto entre os reinos claro e escuro é algo chamado fóton escuro, análogo ao fóton familiar (luz) da força eletromagnética. Não conseguimos ver, provar ou perceber diretamente os fótons escuros, mas eles podem se misturar com o nosso mundo. Nesse cenário, a matéria escura emite fótons escuros, que são partículas relativamente massivas. Isso significa que eles têm efeitos em apenas um curto alcance, bem diferente dos correspondentes de luz. Mas, ocasionalmente, um fóton escuro pode interagir com um fóton regular, mudando sua energia e trajetória.
Este seria um evento muito raro; caso contrário, teríamos notado algo estranho acontecendo com o eletromagnetismo há muito tempo.
Assim, mesmo com fótons escuros, não seríamos capazes de ver a matéria escura diretamente, mas poderíamos farejar a existência dos fótons escuros examinando grandes quantidades de interações eletromagnéticas. Em uma pequena fração dessas partículas, um fóton escuro pode “roubar” energia de um fóton comum, interagindo com ele.
Mas, como eu disse, precisamos de muitas interações. Acontece que construímos “Machines of Science” gigantes para produzir exatamente isso, então estamos com sorte.
No artigo do arXiv, os físicos relataram seus resultados após examinar três anos de dados do Super Proton Synchrotron, o segundo maior acelerador de partículas do CERN. Para esse experimento, os cientistas esmagaram os prótons contra o equivalente subatômico de uma parede de tijolos e examinaram todas as peças depois.
Nos destroços, os pesquisadores encontraram elétrons – muitos deles. Ao longo de três anos, os cientistas contaram mais de 20 bilhões de elétrons com energias acima de 100 GeV. Como os elétrons são partículas carregadas e gostam de interagir entre si, os elétrons de alta energia desse experimento também geraram muitos fótons. Se existirem fótons escuros, às vezes eles devem interagir e roubar energia de um dos fótons regulares, um fenômeno que apareceria no experimento como falta de luz.
Só que essa busca por fótons escuros nada encontrou – todos os fótons normais estavam presentes e foram contabilizados – mas isso não descarta completamente a existência de fótons escuros. Em vez disso, coloca limites às propriedades permitidas dessas partículas. Se existissem, seriam de baixa energia (menor que um GeV, com base nos resultados do experimento) e raramente interagiriam com fótons regulares.
A busca por fótons escuros continua, no entanto, com as futuras execuções do experimento voltadas para o lar desta criatura proposta no mundo subatômico.
Publicado em 31/08/2019
Artigo original: https://www.livescience.com/dark-photon-search-comes-up-empty.html
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