No ano passado, o XENON1T, o detector de matéria escura mais sensível do mundo, pareceu acertar. Não de matéria escura, mas de outra coisa. Talvez neutrinos, talvez axions solares, talvez poluição radioativa no detector.
Agora, uma equipe diferente de físicos apresentou uma resposta diferente. O sinal pode ser consistente não com a matéria escura, mas com a energia escura, dizem eles. Se foi realmente isso que causou o pico nas detecções do XENON1T, isso representa um marco importante na busca por essa força misteriosa.
A energia escura, como a matéria escura, é desconhecida para nós. Matéria escura é o nome que damos à massa que não podemos detectar diretamente. Inferimos sua existência porque há mais gravidade no Universo do que podemos explicar contando as coisas que podemos detectar – muito mais. Aproximadamente 5% do Universo é matéria normal, como estrelas, buracos negros, planetas e nós. Cerca de 21 por cento é matéria escura.
Os 74% restantes são energia escura. Também não fomos capazes de detectá-lo diretamente; em vez disso, inferimos sua existência na expansão acelerada do Universo. Algo está fazendo com que o Universo se espalhe mais rápido do que podemos imaginar, e chamamos isso de energia escura.
“Apesar de ambos os componentes serem invisíveis, sabemos muito mais sobre a matéria escura, já que sua existência foi sugerida já na década de 1920, enquanto a energia escura não foi descoberta até 1998”, disse a cosmologista Sunny Vagnozzi, do Instituto Kavli de Cosmologia da Universidade de Cambridge, em o Reino Unido.
“Experimentos em larga escala como o XENON1T foram projetados para detectar diretamente a matéria escura, procurando por sinais de matéria escura ‘atingindo’ a matéria comum, mas a energia escura é ainda mais elusiva.”
O XENON1T é um tanque cheio de 3,2 toneladas métricas de xenônio líquido ultra-puro e equipado com matrizes de tubos fotomultiplicadores. É completamente selado e completamente escuro para que os pesquisadores possam detectar o flash de eletroluminescência conforme as partículas interagem, resultando em uma pequena chuva de elétrons dos átomos de xenônio no que é conhecido como recuo do elétron.
Como a maioria deles é produzida por interações de partículas conhecidas, temos uma ideia bastante sólida de quantos eventos de recuo de elétrons devem ocorrer como parte do ruído de fundo geral. Esse número gira em torno de 232 ± 15 por ano. Em vez disso, o XENON1T detectou 285 eventos de fevereiro de 2017 a fevereiro de 2018.
A explicação mais provável, descobriram os cientistas, era um tipo de partícula hipotética chamada axions solares, flutuada pela primeira vez na década de 1970 para resolver a questão de por que forças atômicas fortes seguem algo chamado simetria de paridade de carga, quando a maioria dos modelos diz que não precisa .
Mas há um problema: se o Sol pode produzir áxions, todas as estrelas também deveriam. No entanto, a perda de calor observada em estrelas muito quentes coloca limites estritos nas interações dos axions com as partículas subatômicas.
Assim, Vagnozzi e sua equipe começaram a testar a possibilidade de que a energia escura fosse a responsável pelo excesso. Agora, a energia escura pode ser um mistério, mas a maioria dos modelos físicos de energia escura resulta em uma quinta força desconhecida da natureza, além do eletromagnetismo, gravidade e duas interações nucleares.
Como a expansão acelerada do Universo só é detectável em escalas muito grandes, e a gravidade funciona em escalas locais, qualquer modelo de matéria escura que sugira uma quinta força também precisaria explicar adequadamente por que essa força não é óbvia em nossa vizinhança astronômica.
Vagnozzi e sua equipe desenvolveram uma metodologia baseada em um mecanismo chamado triagem camaleônica, que evita a confusão de explicar por que não vemos a quinta força assumindo que ela tem um alcance muito curto em ambientes densos como o nosso.
“Nosso rastreio camaleão interrompe a produção de partículas de energia escura em objetos muito densos, evitando os problemas enfrentados pelos áxions solares”, disse Vagnozzi.
“Também nos permite desacoplar o que acontece no universo muito denso local do que acontece nas escalas maiores, onde a densidade é extremamente baixa.”
Seus resultados mostraram que partículas de energia escura de uma região fortemente magnética do Sol chamada taquoclina – entre o interior radiativo e a zona convectiva externa – podem ter produzido o sinal observado nos dados do XENON1T. Isso é preferível à explicação apenas de fundo, com uma confiança de 2,5 sigma.
Ainda não é tão forte quanto a explicação dos axions solares, que tinha um nível de confiança de 3,5 sigma; ou mesmo neutrinos ou poluição radioativa, ambos com nível de confiança de 3,2 sigma.
Apresenta uma solução alternativa, sem os problemas espinhosos associados às outras. Como os pesquisadores escreveram em seu artigo, “levanta a possibilidade tentadora de que o XENON1T possa ter alcançado a primeira detecção direta de energia escura”.
Isso, é claro, se o sinal fosse real. Precisamos de outra detecção antes de ter certeza disso e, com o XENON1T atualmente passando por atualizações, temos um pouco de tempo para esperar.
Mesmo que o sinal não apareça na próxima execução de observação, no entanto, o papel estabeleceu a base para pensar fora da caixa quando a detecção for finalmente confirmada.
“Foi realmente surpreendente que esse excesso pudesse, em princípio, ter sido causado pela energia escura em vez da matéria escura”, disse Vagnozzi. “Quando as coisas se encaixam assim, é realmente especial.”
Publicado em 20/09/2021 12h25
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