Thomas Dalton
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Físicos em busca da mão invisível que molda nosso universo e as galáxias dentro dele voltaram seu olhar para o lado negro. Especificamente, uma equipe está procurando por trás de cada rocha cósmica os chamados fótons escuros, que podem transmitir uma força da natureza até então desconhecida.
Esses fótons mediariam a interação entre toda a matéria normal e a matéria invisível chamada matéria escura.
Mas os cientistas há muito entenderam que a natureza é esticada, puxada, esmagada e dilacerada por quatro forças conhecidas, então como outra força poderia ter se escondido 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 os núcleos atômicos; a força nuclear fraca, obscura e silenciosa, que controla a decadência radioativa 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 um desses quatro personagens. E ainda, mistérios ainda abundam em relação às interações em nosso universo, especialmente nas escalas maiores. Quando nos afastamos da escala de galáxias e além, algo de peixe ocorre, e damos a esse aspecto de peixe o nome de matéria escura.
A matéria escura é simples e sem adornos, ou esconde uma série de forças até então desconhecidas em suas garras? Agora, uma equipe internacional de físicos, descrevendo seu trabalho online no jornal pré-impresso arXiv, usou um dump de dados do Large Hadron Collider - o maior destruidor de átomos do mundo - para procurar por tal força. Por enquanto, sua busca resultou vazia - o que é bom (mais ou menos): significa que nossas leis conhecidas da física ainda se aplicam. Mas ainda não podemos explicar a matéria escura.
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Perdido no escuro
A matéria escura é uma forma hipotética de matéria que é considerada responsável por cerca de 80% da massa total do universo. É uma grande coisa. Não sabemos realmente o que é responsável por todo esse material invisível extra, mas sabemos que ele existe, e nossa maior pista é a gravidade. Ao examinar os movimentos das estrelas dentro de galáxias e galáxias dentro de aglomerados, juntamente com a evolução das maiores estruturas do cosmos, os astrônomos quase universalmente chegaram à conclusão de que há mais do que o olho galáctico.
Um nome melhor para matéria escura pode ser matéria invisível. Embora possamos inferir isso de sua influência gravitacional (porque nada escapa do 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. Mas, pelo que podemos dizer, a matéria escura - seja lá o que for - não absorve luz, não reflete, refrata, espalha ou emite luz. Para a matéria escura, a luz é simplesmente persona non grata; pode muito bem nem existir.
E então há uma chance sólida de que legiões de partículas de matéria escura estejam fluindo pelo seu corpo agora. A massa combinada desse fluxo infinito pode moldar o destino das galáxias por meio da influência gravitacional, mas ela passa pela matéria normal sem nem mesmo um alô. Rude, eu sei, mas isso é assunto escuro para você.
Trazendo a luz
Como não sabemos do que é feita a matéria escura, somos livres para inventar todos os tipos de cenários, tanto mundanos quanto fantasiosos. A imagem mais simples da matéria escura diz que ela é grande e básica. Sim, ele constitui a vasta maioria da massa do universo, mas consiste em apenas uma única partícula altamente prolífica que nada mais faz do que ter massa. Isso significa que o material pode se dar a conhecer por meio da gravidade, mas de outra forma nunca interage por meio de nenhuma das outras forças. Nós nunca, jamais teremos um vislumbre de matéria escura fazendo qualquer outra coisa.
Os cenários fantásticos são mais divertidos.
Quando os teóricos ficam entediados, eles elaboram ideias sobre o que poderia ser a matéria escura 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 por meio da força nuclear fraca. Essa ideia motiva experimentos de matéria escura e detectores em todo o mundo hoje.
Mesmo assim, esse cenário assume que ainda existem apenas quatro forças da natureza. Se a matéria escura é um tipo de partícula previamente invisível, então é perfeitamente razoável sugerir (porque não temos ideia se estamos certos ou não) que ela vem embalada com uma força da natureza até então desconhecida - ou talvez um casal, quem sabe ? Essa força potencial pode deixar a matéria escura falar apenas com a matéria escura, ou pode entrelaçar matéria escura e energia escura (que também não entendemos), ou pode 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 familiar fóton (luz) da força eletromagnética. Não conseguimos ver, provar ou cheirar os fótons escuros diretamente, mas eles podem se misturar ao nosso mundo. Nesse cenário, a matéria escura emite fótons escuros, que são partículas relativamente massivas. Isso significa que eles têm efeitos em um curto alcance, ao contrário de seus equivalentes portadores 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.
Portanto, mesmo com fótons escuros, não seríamos capazes de ver a matéria escura diretamente, mas poderíamos farejar a existência dos fótons escuros examinando montes de interações eletromagnéticas. Em uma pequena fração desses gobs, um fóton escuro poderia "roubar" energia de um fóton regular, interagindo com ele.
Mas, como eu disse, precisamos de muitas interações. Acontece que construímos máquinas gigantes da ciência para produzir exatamente isso, então estamos com sorte.
No artigo 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 este experimento, os cientistas esmagaram os prótons contra o equivalente subatômico de uma parede de tijolos e analisaram todas as peças no rescaldo.
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 uns com os outros, os elétrons de alta energia neste experimento também geraram muitos fótons. Se existirem fótons escuros, eles às vezes devem interagir e roubar energia de um dos fótons regulares, um fenômeno que apareceria no experimento como falta de luz.
Esta busca por fótons escuros deu em nada - todos os fótons normais estavam presentes e contabilizados - mas isso não descarta inteiramente a existência de fótons escuros. Em vez disso, ele coloca limites nas propriedades permitidas dessas partículas. Se existissem, seriam de baixa energia (menos de um GeV, com base nos resultados do experimento) e raramente interagiriam com fótons regulares.
A busca por fótons escuros continua, no entanto, com execuções futuras do experimento definido para abordar ainda mais esta criatura proposta do mundo subatômico.
Leia mais: "Pesquisa de matéria escura em eventos de energia perdidos com NA64"
Paul M. Sutter é astrofísico em The Ohio State University, anfitrião de "Pergunte a um astronauta" e "Rádio Espacial,"e autor de"Seu lugar no universo."
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