Aproximadamente 85% da massa do universo está faltando – podemos inferir sua existência, simplesmente não podemos ver. Ao longo dos anos, várias explicações diferentes para essa “matéria escura” foram propostas, desde partículas não descobertas até buracos negros. Uma ideia em particular, entretanto, está chamando atenção renovada: o áxion. E os pesquisadores estão se voltando para os céus para rastreá-lo.
Axions são partículas leves hipotéticas cuja existência resolveria dois problemas principais. O primeiro, discutido desde 1960, é o problema da paridade de carga forte (CP), que pergunta por que os quarks e glúons que constituem os prótons e nêutrons obedecem a uma certa simetria. Axions mostraria que um campo invisível é o responsável.
A segunda é a matéria escura. Axions “são excelentes candidatos à matéria escura”, disse Asimina Arvanitaki, física teórica do Perimeter Institute for Theoretical Physics em Waterloo, Canadá. Os axions se agrupariam exatamente da maneira que esperamos que a matéria escura, e eles têm as propriedades certas para explicar por que são tão difíceis de encontrar – ou seja, eles são extremamente leves e relutantes em interagir com a matéria regular.
No início deste ano, um grupo de cientistas relatou que pode ter detectado evidências de axions sendo produzidos por estrelas de nêutrons – estrelas em colapso que são tão densas que uma pequena amostra pouco maior que um grão de areia pesaria tanto quanto um porta-aviões. Desde a década de 1980, os físicos pensaram que, se os axions existem, eles deveriam ser produzidos dentro dos núcleos quentes das estrelas de nêutrons, onde nêutrons e prótons se chocam com altas energias.
Os axions devem ser bilhões de vezes menos massivos do que os elétrons, para que sejam capazes de escapar das entranhas de uma estrela de nêutrons densa para o espaço. Aqui eles encontrariam o campo magnético extremamente forte da estrela de nêutrons. Na presença de um campo magnético tão forte, prevê-se que os axions se transformem em fótons comuns ou partículas de luz. (Esta propriedade forma a base para buscas de axions ligados à Terra, como o Axion Dark Matter Experiment, que usa ímãs poderosos para tentar detectar a transformação em ação.) Axions voando através do campo magnético da estrela de nêutrons seriam transformados em fótons de raios-X.
Esses raios-X são difíceis de detectar, no entanto. A maioria das estrelas de nêutrons conhecidas são pulsares que giram rapidamente, que liberam grandes quantidades de raios-X de qualquer maneira – sem necessidade de axions. É por isso que a nova pesquisa se concentrou em um grupo de sete estrelas de nêutrons em nossa galáxia conhecido como os “sete magníficos”, assim chamados porque são as únicas estrelas de nêutrons conhecidas que não giram rapidamente. “Elas são as estrelas de nêutrons mais chatas que você poderia imaginar”, disse Benjamin Safdi, físico da Universidade da Califórnia, Berkeley, e coautor do estudo. “Eles estão apenas sentados lá.”
No estudo, publicado na Physical Review Letters, Safdi e seus colegas sugerem que todas, exceto uma dessas estrelas de nêutrons, mostram um excesso de raios-X de alta energia que “poderia ser explicado pela existência de axions”, disse Safdi. A equipe não reivindica uma descoberta definitiva, mas destaca a discrepância para uma investigação mais aprofundada.
No entanto, o problema de procurar no espaço por evidências de descobertas que quebrem paradigmas é que, ao contrário de um laboratório ultralimpo na Terra, o espaço tem muitas coisas acontecendo. Poderíamos simplesmente estar observando algum outro processo astrofísico, não relacionado aos axions, ou o excesso de sinal de raios-X pode não estar realmente lá. A equipe de Safdi planeja investigar mais o assunto com instrumentos adicionais, como o telescópio de raios X NuSTAR da NASA, que pode observar raios X de alta energia do que outros telescópios espaciais podem ver. “Ao observar esses raios-X de alta energia, poderíamos separar um sinal potencial de axions”, disse Safdi.
Outras buscas de axions usam nosso sol, que se espera que produza axions em seu interior que então fluem para o espaço. Um experimento de longa duração no CERN na Suíça, chamado CERN Axion Solar Telescope (CAST), aponta um ímã supercondutor de 10 metros para o sol. O ímã transformaria quaisquer axions que chegassem em fótons de raios-X, que seriam então captados por um detector colocado na extremidade posterior do ímã.
CAST não encontrou nenhum axião, mas seus resultados, como os de outras pesquisas em andamento, fornecem restrições úteis sobre as características dos axiões, como quando os axiões podem se transformar em fótons. O trabalho começou nos sucessores de CAST, que usarão ímãs maiores e mais poderosos. Em 2024, o Baby International Axion Observatory (BabyIAXO) será ligado em um centro acelerador alemão chamado DESY. Será 100 vezes mais sensível que o CAST e servirá como o precursor do experimento IAXO completo, que será “mais um fator de 100 vezes melhor”, disse Igor Irastorza, um dos líderes do CAST.
Os pesquisadores também estão explorando maneiras indiretas de detectar a influência dos eixos no espaço. Algumas anãs brancas – os núcleos remanescentes de estrelas como o nosso Sol que esgotaram seu combustível – parecem estar esfriando mais rápido do que o esperado. Uma possibilidade pode ser que os axions estejam escapando das estrelas mortas, levando energia com elas. O resfriamento rápido é “exatamente o que se esperaria se houvesse áxions drenando energia desta estrela”, disse Irastorza. (Uma ligação definitiva ainda não pode ser traçada, no entanto.) Em outros lugares, os buracos negros têm sido apontados como os principais laboratórios para sondar a existência de axions procurando por sinais de um processo chamado superradiance, um fenômeno em que partículas leves – como os axions – podem retardar a rotação de um buraco negro em qualquer lugar de 10% a 90%, fazendo com que perca energia e momento angular. “Se você vir um buraco negro girando muito rapidamente, sabe que esse processo não aconteceu”, disse Masha Baryakhtar, física de partículas da Universidade de Washington. Mas se pudermos medir as massas e spins de buracos negros suficientes, como com os detectores de ondas gravitacionais LIGO e Virgo, poderíamos começar a procurar padrões que possam “corresponder aos cálculos do que deveriam ser se os axions estivessem lá,” disse Baryakhtar.
Conforme os áxions lentamente se tornaram um dos candidatos mais tentadores à matéria escura, os pesquisadores descobriram maneiras cada vez mais elaboradas de encontrar um fiapo de partícula que pode nem mesmo existir. “O campo está explodindo”, disse Arvanitaki. E embora as pesquisas terrestres “não tenham visto nada digno de nota”, disse Jesse Thaler, físico de partículas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, pesquisar pode ser a maneira mais promissora de rastreá-los. “Como os axions ou outras partículas semelhantes à matéria escura estão interagindo tão fracamente, você precisa de um grande número em algum lugar para colocá-lo em algo que você possa ver”, disse Thaler. “E um dos maiores números que você pode imaginar seria alavancar a totalidade do universo como um detector.”
Publicado em 20/10/2021 12h47
Artigo original:
- https://www.quantamagazine.org/a-hint-of-dark-matter-sends-physicists-looking-to-the-skies-20211019/
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