Um novo modelo para a matéria escura

Esta imagem do Telescópio Espacial Hubble da NASA mostra a distribuição de matéria escura no centro do gigante aglomerado de galáxias Abell 1689, contendo cerca de 1.000 galáxias e trilhões de estrelas. A matéria escura é uma forma invisível de matéria que representa a maior parte da massa do universo. O Hubble não pode ver a matéria escura diretamente. Os astrônomos inferiram sua localização analisando o efeito das lentes gravitacionais, onde a luz das galáxias atrás de Abell 1689 é distorcida pela matéria interveniente dentro do aglomerado. Os pesquisadores usaram as posições observadas de 135 imagens com lentes de 42 galáxias de fundo para calcular a localização e a quantidade de matéria escura no aglomerado. Eles sobrepuseram um mapa dessas concentrações inferidas de matéria escura, tingidas de azul, em uma imagem do aglomerado obtida pela Advanced Camera for Surveys do Hubble. Se a gravidade do aglomerado viesse apenas das galáxias visíveis, as distorções das lentes seriam muito mais fracas. O mapa revel

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.

Restrições no plano de acoplamento massa-núcleo do mediador devido ao resfriamento de estrelas HB [25] e SN 1987A [12], bem como raros decaimentos kaon [26] (sombreamento cinza). Crédito: Cartas de Revisão Física (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.031803

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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