Thomas Dalton
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Cerca de 80% de toda a matéria no cosmos é de uma forma completamente desconhecida para a física atual. Chamamos isso de matéria escura, porque, da melhor maneira possível, é ... escuro. Experimentos em todo o mundo estão tentando capturar uma partícula de matéria escura perdida na esperança de entendê-la, mas até agora eles não têm resultados..
Recentemente, uma equipe de teóricos propôs uma nova forma de caçar a matéria escura usando "partículas" estranhas chamadas magnons, um nome que não inventei apenas. Essas minúsculas ondulações podem atrair até mesmo uma partícula de matéria escura fugaz e leve do esconderijo, dizem os teóricos. [As 11 maiores perguntas sem resposta sobre a matéria escura]
O quebra-cabeça da matéria escura
Nós sabemos todos os tipos de coisas sobre a matéria escura, com a notável exceção do que é.
Mesmo que não possamos detectá-lo diretamente, vemos a evidência da matéria escura assim que abrimos nossos telescópios para o universo mais amplo. A primeira revelação, na década de 1930, veio por meio de observações de aglomerados de galáxias, algumas das maiores estruturas do universo. As galáxias que os habitavam simplesmente se moviam rápido demais para serem mantidas juntas como um aglomerado. Isso porque a massa coletiva das galáxias fornece a cola gravitacional que mantém o aglomerado unido - quanto maior a massa, mais forte é a cola. Uma cola super forte pode manter unidas até mesmo as galáxias que se movem mais rapidamente. Mais rápido e o cluster simplesmente se separaria.
Mas lá estavam os aglomerados, existindo, com galáxias zumbindo dentro deles muito mais rápido do que deveriam, dada a massa do aglomerado. Algo tinha aderência gravitacional suficiente para manter os aglomerados juntos, mas esse algo não estava emitindo ou interagindo com a luz.
Esse mistério persistiu sem solução ao longo das décadas e, na década de 1970, a astrônoma Vera Rubin aumentou a aposta por meio de observações de estrelas dentro de galáxias. Mais uma vez, as coisas estavam se movendo muito rápido: dada sua massa observada, as galáxias em nosso universo deveriam ter se separado bilhões de anos atrás. Algo os estava mantendo juntos. Algo não visto. [11 fatos fascinantes sobre nossa galáxia, a Via Láctea]
A história se repete em todo o cosmos, tanto no tempo quanto no espaço. Desde a primeira luz do Big Bang às maiores estruturas do universo, algo estranho está lá fora.
Procurando no escuro
Portanto, a matéria escura está muito presente - simplesmente não podemos encontrar nenhuma outra hipótese viável para explicar o tsunami de dados que apóiam sua existência. Mas o que é isso? Nosso melhor palpite é que a matéria escura é algum tipo de partícula nova e exótica, até então desconhecida para a física. Nesta foto, a matéria escura inunda todas as galáxias. Na verdade, a parte visível de uma galáxia, vista através de estrelas e nuvens de gás e poeira, é apenas um pequeno farol situado contra uma costa muito maior e mais escura. Cada galáxia fica dentro de um grande "halo" composto de zilhões e zilhões de partículas de matéria escura.
Essas partículas de matéria escura estão fluindo pelo seu quarto agora. Eles estão fluindo através de você. Uma chuva sem fim de partículas minúsculas e invisíveis de matéria escura. Mas você simplesmente não os nota. Eles não interagem com a luz ou com partículas carregadas. Você é feito de partículas carregadas e é muito amigável com a luz; você é invisível para a matéria escura e a matéria escura é invisível para você. A única maneira de "ver" a matéria escura é por meio da força gravitacional; a gravidade percebe todas as formas de matéria e energia do universo, escuras ou não, portanto, em escalas maiores, observamos a influência da massa combinada de todas essas incontáveis partículas. Mas aqui no seu quarto? Nada.
A menos, esperamos, haja alguma outra maneira pela qual a matéria escura interaja conosco, matéria normal. É possível que a partícula de matéria escura, seja lá o que for, também sinta a força nuclear fraca - que é responsável pela decadência radioativa - abrindo uma nova janela para este reino oculto. Imagine construir um detector gigante, apenas uma grande massa de qualquer elemento que você tenha em mãos. Partículas de matéria escura fluem através dele, quase todas totalmente inofensivas. Mas às vezes, com uma raridade dependendo do modelo particular de matéria escura, a partícula que passa interage com um dos núcleos atômicos dos elementos no detector por meio da força nuclear fraca, deslocando-o do lugar e fazendo com que toda a massa do detector tremor.
Entre no magnon
Essa configuração experimental funciona apenas se a partícula de matéria escura for relativamente pesada, dando-lhe força suficiente para destruir um núcleo em uma dessas raras interações. Mas até agora, nenhum dos detectores de matéria escura ao redor do globo viu qualquer traço de interação, mesmo depois de anos e anos de pesquisa. À medida que os experimentos avançavam, as propriedades permitidas da matéria escura foram lentamente descartadas. Isso não é necessariamente uma coisa ruim; simplesmente não sabemos do que é feita a matéria escura, então quanto mais sabemos sobre o que ela não é, mais clara a imagem do que poderia ser.
Mas a falta de resultados pode ser um pouco preocupante. Os candidatos mais pesados para a matéria escura estão sendo descartados e, se a partícula misteriosa for muito leve, ela nunca será vista nos detectores conforme estão configurados agora. Ou seja, a menos que haja outra maneira pela qual a matéria escura possa se comunicar com a matéria normal.
Em um artigo recente publicado no jornal online de pré-impressão arXiv, os físicos detalham uma configuração experimental proposta que poderia localizar uma partícula de matéria escura no ato de mudar o spin dos elétrons (se, de fato, a matéria escura pode fazer isso). Nesta configuração, a matéria escura pode ser potencialmente detectada, mesmo se a partícula suspeita for muito leve. Ele pode fazer isso criando os chamados magnons no material.
Finja que você tem um pedaço de material a uma temperatura de zero absoluto. Todos os spins - como minúsculas barras magnéticas - de todos os elétrons naquela matéria apontarão na mesma direção. Conforme você aumenta lentamente a temperatura, alguns dos elétrons começarão a acordar, se mexer e apontar aleatoriamente seus spins na direção oposta. Quanto mais você aumenta a temperatura, mais elétrons são invertidos - e cada uma dessas inversões reduz a força magnética apenas um pouco. Cada um desses giros invertidos também causa uma pequena ondulação na energia do material, e esses movimentos podem ser vistos como uma quase-partícula, não uma partícula verdadeira, mas algo que você pode descrever com matemática dessa maneira. Essas quasipartículas são conhecidas como "magnons", provavelmente porque são como pequenos ímãs bonitos.
Portanto, se você começar com um material realmente frio e partículas suficientes de matéria escura atingirem o material e girar alguns giros, você observará magnons. Devido à sensibilidade do experimento e à natureza das interações, esta configuração pode detectar uma partícula de matéria escura leve.
Ou seja, se existe.
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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.
Originalmente publicado em .