A busca por matéria indescritível chega ao seu limite
Para a maioria dos astrônomos, a matéria escura é tão real quanto estrelas e planetas. Rotineiramente construímos mapas de sua distribuição. Imaginamos galáxias como pedaços de matéria escura com muitos intercalados com matéria luminosa. Entendemos a formação da estrutura cósmica e a evolução de todo o Universo como um todo, do ponto de vista da matéria escura. No entanto, mais de uma década de pesquisas sofisticadas, ninguém foi capaz de detectar diretamente a matéria escura. Vemos a sombra projetada por ela, mas não temos idéia do que pode estar escondido na metade escura do universo.
Definitivamente, isso não é objetos ou partículas comuns - essa opção está descartada há muito tempo. Argumentos teóricos falam em favor de um novo tipo de partículas que interagem fracamente com a matéria comum. Um grande número dessas partículas deve passar pelo nosso planeta a todo momento, e devemos esperar que algumas delas deixem vestígios. Os físicos cultivaram cristais, encheram tanques criogênicos, os enterraram no subsolo para excluir partículas comuns e procuraram pequenos pulsos de calor e lampejos de luz que devessem dar algo que nunca vimos antes. E até agora, os resultados não são animadores. Em Lead, Dakota do Sul, o experimento LUX percorre uma milha e meia no subsolo em uma mina de ouro abandonada. E não encontrei nada. Na China, o experimento PandaX no laboratório subterrâneo de Jin-Ping corre em um túnel sob uma camada de pedra de 2,4 km de espessura. Ele não encontrou nada. No túnel rodoviário perto de Frejus, nos Alpes franceses, o experimento EDELWEISS, operando a uma profundidade de 1,7 km, não encontrou nada. Esta lista continua.
Zero resultados rapidamente estreitam as áreas do espaço de parâmetros em que a matéria escura pode ser oculta. Devido à aguda falta de dados, os físicos teóricos começaram a apresentar teorias sobre partículas ainda mais exóticas, mas a maioria desses candidatos seria ainda mais difícil de detectar. Poder-se-ia esperar obter partículas de matéria escura no acelerador de partículas e, assim, tirar uma conclusão sobre sua presença: olhando para ver se a energia foi perdida em colisões de partículas. Mas o Large Hadron Collider fez exatamente isso e até agora não encontrou nada parecido. Alguns teóricos suspeitam que não exista matéria escura, e nossa teoria da gravidade - a teoria geral da relatividade de Einstein - nos desencaminhou. A GTR nos diz que as galáxias se separariam se não fossem mantidas juntas por matéria invisível, mas talvez essa teoria esteja errada. No entanto, a relatividade geral passou em todas as verificações observáveis, e todas as teorias concorrentes têm falhas fatais.
85% de toda a matéria é desconhecida para nós. Acima de tudo, tememos que seja sempre assim.
Embora a maioria dos experimentos não tenha produzido nada, dois deles afirmam ter descoberto matéria escura. Ambas as declarações são extremamente controversas, mas por várias razões. Eles podem estar errados, mas merecem consideração cuidadosa. Esses casos, pelo menos, demonstram a dificuldade de encontrar matéria escura entre os placers da matéria do espaço.
O detector de partículas DAMA / LIBRA no Laboratório Nacional Gran Sasso, localizado em um túnel a 1,4 km abaixo da superfície de uma montanha no norte da Itália, está procurando flashes de luz gerados por partículas de matéria escura que se espalham dos núcleos atômicos em um cristal de
iodeto de sódio . Ele coleciona dados há treze anos e registrou algo incomum. O número de detecções de partículas aumenta e diminui sazonalmente; o máximo é em junho e o mínimo é em dezembro.
É esse tipo de comportamento que se pode esperar da matéria escura. Acredita-se que ele forma uma extensa nuvem envolvendo a galáxia da Via Láctea. Nosso sistema solar como um todo se move através dessa nuvem. Mas planetas individuais se movem através da nuvem em velocidades diferentes devido ao seu movimento orbital ao redor do sol. A velocidade da Terra em relação à nuvem proposta apresenta um máximo em junho e um mínimo em dezembro. Isso determinaria a velocidade com que partículas de matéria escura voam através de um detector localizado na Terra.
Ninguém nega que o DAMA detecte modulação sazonal com significância estatística muito alta. Mas muitas outras fontes de partículas também flutuam devido às estações do ano - por exemplo, fluxos de água subterrânea (afetando a radioatividade do fundo) ou a produção de partículas como múons na atmosfera. De acordo com as estimativas mais recentes, cinco outras experiências em todo o mundo limitam o estado que não são consistentes com as reivindicações do DAMA. A única maneira de verificar os resultados é repetir o experimento com o mesmo detector em outros locais, e vários desses experimentos já estão sendo preparados. Um deles estará localizado no Polo Sul, onde os efeitos locais sazonais estão fora de fase e diferem daqueles que existem na Itália.
O segundo indício intrigante de matéria escura veio de experimentos indiretos, procurando não partículas diretamente indescritíveis, mas partículas secundárias que deveriam gerar após colisão umas com as outras e subsequente aniquilação. Em 2008, o detector
PAMELA (Carga útil para exploração de antimatéria / matéria e astrofísica dos núcleos de luz), instalado no satélite russo
Resurs-DK e criado por especialistas da Rússia, Itália, Alemanha e Suécia, observou uma inesperadamente grande o número de pósitrons - análogos de elétrons na antimatéria - provenientes das profundezas do espaço. A observação foi confirmada recentemente por um
espectrômetro alfa magnético localizado a bordo do ISS. Enquanto isso,
o telescópio gama Fermi divulgou o brilho disperso dos raios gama propagando-se do centro da galáxia. Sua forma corresponde à matéria escura - esfericamente simétrica em relação ao centro da galáxia, com a intensidade aumentando em direção ao meio.
É quase bom demais para ser verdade. Infelizmente, as observações de pósitrons e raios gama também podem ser explicadas por estrelas de nêutrons em rotação rápida, pulsares de milissegundos. Os parâmetros dos pósitrons não correspondem a candidatos adequados para a matéria escura. Para lidar com este caso, é necessário verificar se os pósitrons vêm de direções de estrelas de nêutrons conhecidas. As flutuações dos raios gama já foram atribuídas aos muitos pulsares fracos no centro da galáxia. Além disso, se os raios gama vieram da matéria escura, os astrônomos teriam que detectar um sinal semelhante vindo das galáxias anãs vizinhas, que possuem um volume proporcionalmente maior de matéria escura que a nossa. Nenhum desses sinais foi detectado.
A maioria das tentativas de pesquisa se concentra nos candidatos mais simples, conhecidos como
WIMPs , que interagem fracamente com partículas maciças. A palavra "fraco" aqui tem um duplo significado: a interação não é forte e ocorre através do chamado.
interação nuclear fraca . Tais partículas são uma extensão natural do Modelo Padrão na física de partículas. Mesmo sem conhecer todos os detalhes, a partir do advérbio "fracamente" você pode entender quantas partículas devem existir no universo. Na quente sopa pré-histórica do Big Bang, as partículas foram criadas e destruídas naturalmente. Com a expansão do Universo, a temperatura cai e vários tipos de partículas, uma após a outra, dependendo da massa, deixam de aparecer. As partículas podem continuar a ser destruídas a uma velocidade, dependendo da força da interação, até que sejam distribuídas muito raramente para colidir umas com as outras.
Dado o poder da interação WIMP, é possível realizar cálculos e descobrir que uma quantidade observável de matéria escura deve aparecer no caldeirão do Universo primitivo. As partículas resultantes devem pesar centenas de vezes mais que o próton. A partir dos cálculos associados ao Modelo Padrão e à supersimetria, segue-se a existência de uma zona de parâmetros adequada para partículas de matéria escura - esse fato foi chamado de “milagre WIM”.
Mas provavelmente é esse o caso quando um fato feio mata uma bela hipótese. O desespero está crescendo entre os físicos, e eles já estão explorando opções que antes eram consideradas oportunidades de segunda e improvável.
Talvez as partículas de matéria escura sejam extremamente massivas. Há um compromisso natural - quanto mais maciça for a partícula, menos elas serão necessárias para corresponder à massa total observada pelos astrônomos, de modo que haverá tão poucas que nossos detectores não as notarão. Os físicos precisarão de uma estratégia de busca completamente diferente, possivelmente relacionada à influência dessas partículas nas velhas estrelas de nêutrons ou em outros objetos celestes.
Por outro lado, as partículas de matéria escura podem ser muito claras para deixar vestígios em nossos detectores. Os físicos podem usar o detector que já temos disponível para sua pesquisa: o Sol. O sol pode capturar partículas quando se move através de uma nuvem galáctica de matéria escura. As partículas podem ser espalhadas por prótons no Sol e alterar seu retrato de temperatura. Isso afetará o movimento turbulento dos vórtices de gás subindo, descendo e torcendo nas camadas superiores do Sol. E devemos detectar isso com a ajuda da
helioseismologia , uma ciência que estuda as perturbações que se propagam no interior do Sol e seus efeitos em sua superfície - assim como a sismologia estuda terremotos. Acontece que na helioseismologia existem anomalias inexplicáveis que são difíceis de conciliar com o modelo padrão do Sol.
Se partículas de matéria escura se acumulam no sol, elas podem se aniquilar em seu núcleo. Isso levará ao aparecimento de neutrinos de alta energia que podem ser vistos por detectores como
Super Kamiokande no centro do Japão e
IceCube no Polo Sul. Até o momento, não houve relatos de eventos adequados para essa função.
O exemplo mais extremo de uma partícula leve é um
axônio , uma partícula hipotética que interage fracamente, com uma massa um trilhão de vezes menor que a de um próton. Não estará completamente escuro, mas interagirá com o campo eletromagnético e poderá criar fótons de micro-ondas dentro das cavidades de fortes campos magnéticos. As experiências que tentam detectar axion estão funcionando desde os anos 80 e não têm mais sucesso do que os detectores WIMP.
Talvez uma partícula escura não seja uma partícula, mas uma "partícula", como disse um teórico. Não-partículas são parentes distantes do campo eletromagnético, cuja energia não é dividida em pacotes separados. Eles podem deixar rastros indiretos nos dados do colisor. Talvez a essência da matéria escura não seja a única solução. Afinal, a matéria comum também consiste em muitos tipos de partículas. A matéria escura também pode consistir em vários participantes, o que complicará a busca, porque os supostos sinais de qualquer candidato em particular a partículas serão borrados. Talvez a matéria escura não interaja, exceto a gravidade. Isso aproximará ainda mais a vida dos pesquisadores de um pesadelo.
Em certo sentido, estamos em uma situação que os cientistas estão sonhando. Ideias antigas não funcionam, e novas são necessárias. Eles podem aparecer devido ao estudo de novos tipos de partículas, ou podemos descobrir uma nova teoria consistente da gravidade, que nos permite abandonar a matéria escura.
Mas a preocupação constante é que a natureza ocultou a nova física onde não podemos encontrá-la. E embora ainda não tenhamos esgotado completamente as tentativas de encontrar WIMPs, os experimentos não são capazes de muito mais. Quanto mais sensíveis elas se tornam à matéria escura, mais sensíveis são às partículas de lixo e nem sempre conseguem distinguir uma da outra. No ritmo atual de desenvolvimento, em dez anos eles serão cegados por neutrinos emitidos pelo Sol ou raios cósmicos colidindo com a atmosfera da Terra.
O sol pode ser um detector natural de matéria escura. Mudanças na estrutura das camadas do Sol sob a influência da matéria escura podem ser detectadas pelos astrônomos. A imagem em vermelho mostra as áreas que estão se afastando de nós e em azul - as que se aproximam.Nesse caso, ainda podemos continuar as tentativas de detecção indireta. Um dos mais promissores é o
Cherenkov Telescope Array , uma coleção de mais de centenas de telescópios localizados no Chile e na ilha de
Palma . Entre outras tarefas, ele procurará raios gama que aparecem na aniquilação de partículas de matéria escura em nossa e em outras galáxias. Mas, em algum momento, essa estratégia de pesquisa terá outro problema: custo. Até agora, os detectores de matéria escura estão entre os mais econômicos dos experimentos físicos básicos, mas se precisarmos aumentar seu tamanho, sensibilidade e complexidade, seu custo pode exceder monstros como o Large Hadron Collider (quase US $ 7 bilhões) e o telescópio. James Webb (cerca de US $ 8 bilhões), sem nenhuma garantia de sucesso - e é muito difícil vender para políticos.
A melhor ferramenta para descobrir partículas de matéria escura seria um novo colisor. Em algum momento de três décadas, os físicos planejam construir um colisor que exceda o LHC no poder várias vezes. Pesquisas estão sendo conduzidas na China e na Europa. Segundo estimativas aproximadas, custará US $ 25 bilhões dos dólares atuais. Isso pode ser real se a carga for distribuída ao longo do tempo e entre vários países. Mas esse é provavelmente o limite. Mesmo que os físicos tivessem recursos ilimitados, não haveria mais ganho com a construção de algo maior. Além disso, qualquer partícula desconhecida será tão grande que o Big Bang simplesmente não poderia gerá-la em quantidades suficientes.
Apesar de todas essas tentativas incríveis, podemos não detectar os sinais. Essa é uma perspectiva bastante sombria. Talvez não haja matéria escura. Continuamos a procurar desvios em relação ao GR. Até agora, nenhum foi encontrado. Por outro lado, a descoberta de buracos negros através de ondas gravitacionais em 2016 apoiou a teoria de Einstein - e, como conseqüência, a existência de matéria escura.
Mas também há aspectos positivos. Pode haver segredos e descobertas surpreendentes relacionados ao lado sombrio da natureza que nunca teríamos encontrado, se não fosse por essas buscas. Enquanto procuramos partículas. E não temos escolha a não ser seguir em frente.
Joseph Silk é um cosmologista da Universidade de Oxford, também trabalhando no Instituto de Astrofísica de Paris e da Universidade. John Hopkins. Pioneiro da pesquisa no campo da radiação relíquia e da formação da estrutura cósmica.