Uma breve visão geral dos indícios da existência de sinais da matéria escura (dois dos quais foram encontrados no céu e quatro no subsolo), o que pode significar que essas partículas de matéria escura estão envolvidas em algo interessante. Alguns sinais podem se tornar verdadeiros, mas não os seis, pois alguns deles se contradizem. Isso não deve preocupá-lo: uma situação semelhante é completamente normal para a ciência avançada; A pesquisa é um assunto complicado, e a maioria das alusões a algo surpreendente acaba sendo miragens - acidentes estatísticos, esquisitices até então desconhecidas, problemas de medição ou simplesmente erros triviais. No caso da partícula de Higgs, por exemplo, tivemos vários alarmes falsos até que, finalmente, o alarme acabou sendo verdadeiro. Portanto, precisamos ser pacientes e cuidadosos, e não perder a esperança; descobertas são raras, mas acontecem.
Sobrecarga de matéria escura
As informações obtidas do satélite Fermi sugerem que um fluxo de fótons de certas energias (cerca de 135 GeV, ou seja, com uma energia de massa de cerca de 143 vezes mais que a de um próton) emana do centro da galáxia. Isso pode ser potencialmente um sinal da presença de partículas de matéria escura (deve haver especialmente muitas dessas partículas se movendo lentamente em um círculo no centro da galáxia), que colidem umas com as outras, aniquilam e se transformam em fótons.
Em resumo, é mais ou menos assim: a lei de conservação de energia garante que a energia de duas partículas aniquiladoras de matéria escura (representadas principalmente como energia de massa, uma vez que as partículas de matéria escura se movem muito lentamente pela Galáxia) seja convertida na energia de movimento de dois fótons - portanto, a energia cada fóton é igual à massa de uma partícula de matéria escura multiplicada por c
2 .
Preciso me preocupar com o fato de que esse sinal pode não ser o que parece? O pequeno problema é que um
WIMP padrão (uma partícula massiva que interage com a matéria por meio de fraca interação nuclear) não pode produzir esse sinal sem emitir outros sinais que também precisaríamos ver (por exemplo, um grande número de prótons de menor energia) . Mas a popularidade dos WIMPs é um pouco exagerada, e outros tipos de partículas de matéria escura, que os teóricos imaginam há muitos anos, são capazes de fazer todo o necessário.
Preocupações mais sérias são que o sinal não vem apenas do centro da galáxia, mas também da extremidade do
membro da Terra e, possivelmente, do Sol. Esse comportamento da aniquilação da matéria escura não é esperado. E o fato de esse sinal aparecer em lugares tão estranhos onde não era esperado pode significar que tudo isso é apenas um problema não óbvio com o detector de fótons Fermi. Ninguém sabe ao certo ainda.
Outro exemplo No experimento com o espectrômetro alfa magnético (Eng. Alpha Magnetic Spectrometer, AMS), operando na ISS, foi recentemente anunciada uma grande "descoberta" (embora a maioria dos comunicados à imprensa tenha esquecido de mencionar que simplesmente confirmou que o experimento
PAMELA já havia aberto em 2008). PAMELA descobriu e a AMS confirmou e estudou com muito mais detalhes que no espaço sideral há um enorme excesso de pósitrons de alta energia, em comparação com o que seria esperado (pósitrons são antipartículas de elétrons). Para pósitrons "extras", as energias variam de 10 GeV a pelo menos 350 GeV - e os dados do AMS não vão mais longe.
É possível que esses pósitrons tenham aparecido devido à aniquilação de partículas de matéria escura. Mas, nesse caso, não pode ser partículas de MT do mesmo tipo que o experimento de Fermi vê no centro da galáxia. Quaisquer partículas da TM responsáveis pelo sinal do AMS teriam uma massa superior a 350 GeV / s
2 para emitir pósitrons de energia de 350 GeV, enquanto que, se os fótons que Fermi vê produzirem precisamente partículas da TM, essas partículas nunca serão produziria um pósitron com energias acima de 135 GeV. Isso decorre apenas da conservação de energia; se a massa de cada uma das duas partículas aniquiladoras da TM é de 135 GeV / s
2 e elas se movem lentamente o suficiente, por causa da qual sua energia de movimento é pequena o suficiente, os elétrons e pósitrons obtidos na aniquilação não podem ter uma energia maior que 135 GeV. Portanto, Fermi e AMS não podem ver os efeitos da presença da MT - pelo menos um deles vê outra coisa.
Como eles disseram em 2008 (e os experimentadores da AMS têm o cuidado de admitir), os pósitrons que o PAMELA viu na época e o que a AMS vê agora podem ser gerados por efeitos astrofísicos, por exemplo, um pulsar próximo (uma estrela em rotação rápida com campo magnético poderoso, que pode servir como um acelerador natural de partículas e se tornar uma fonte de pares elétron-pósitron adicionais). E como todos sabem desde 2008 (e que os pesquisadores da AMS tiveram a imprudência de não admitir), os
neutralinos mais simples previstos por teorias com
supersimetria (ou quaisquer outros covardes) não podem produzir sinais tão poderosos, a menos que ainda exista uma força desconhecida capaz de aumentar a taxa de aniquilação. E mesmo assim, não veríamos tais pósitrons sem outros sinais - a menos que assumamos que essa TM pertence a uma variedade muito notável. As teorias pendentes são legais à sua maneira, mas as partículas da MT em tais assuntos não são simples covardes com supersimetrias que foram mencionadas em artigos sobre AMS.
Matéria escura sob os pés
Vamos continuar. Alguém se lembra do projeto DAMA (agora
DAMA / LIBRA )? Eles afirmam que há evidências da existência de matéria escura por mais de dez anos! E eles realmente têm algum tipo de sinal! Talvez de matéria escura, ou talvez não.
Veja bem, uma das maneiras desonestas de encontrar a MT é deixá-la encontrar você. Basta colocar uma fatia ou um barril de material cuidadosamente selecionado e refinado no poço subterrâneo. (A descida ao solo reduz bastante os efeitos dos raios cósmicos - partículas de alta energia do espaço profundo). Como o HM deve passar direto pela matéria normal e raramente deixar vestígios, um fluxo de partículas do HM fluirá diretamente através da pedra, no eixo e no barril de material. E se você é muito, muito paciente, uma dessas partículas da MT pode colidir com o núcleo atômico dentro do seu material, e esse chute pode ficar alto o suficiente para que você possa detectá-lo se tiver desenvolvido um experimento complicado. É exatamente isso que DAMA, XENON, COGeNT, CRESST, CDMS e muitos outros experimentos estão fazendo - e estão fazendo há algum tempo.
Mas fazer isso é mais difícil do que dizer. A radioatividade - um processo no qual um núcleo atômico altera seu tipo ao cuspir uma ou duas partículas de alta energia - pode imitar os efeitos de uma partícula da MT. (Um processo que imita o seu "sinal" - que você está tentando detectar - é chamado de "plano de fundo"). O pano de fundo na detecção de partículas da MT é geralmente mais forte que o próprio sinal, e os pesquisadores precisam entender muito bem todos os cenários possíveis, se quiserem detectar algo tão pequeno.
Mas agora, voltando ao DAMA, o que pode ser feito a partir de uma série de malditos engenhosos. Durante o ano, a Terra se move ao redor do Sol, e sua velocidade em relação à velocidade média das partículas da MT muda. É como se você pedalasse ao longo da pista do anel em um dia ventoso, às vezes o vento sopra na sua cara e às vezes o empurra pelas costas. Assim como a força do vento muda quando você circula a pista, a velocidade do “vento” da MT muda ao longo do ano. E se a probabilidade de as partículas da MT interagirem com o núcleo depender da velocidade relativa das duas (o que é feito em muitas variantes do que é a MT), então o número de colisões com a MT medido no experimento deve aumentar e diminuir com o ciclo por ano .
Portanto, em vez de procurar sinais de várias colisões, o que pode ser apenas o resultado de radioatividade que você não entendeu, talvez seja necessário procurar variações no número de colisões ao longo de um ano! Se você se convencer de que a radioatividade e outros antecedentes por si só não podem ter um ciclo anual, quaisquer flutuações desse tipo são uma evidência clara da MT. Assim como um ciclista em um vento forte sente um vento muito forte ao viajar em direção a ele, e mais fraco ao viajar em outra direção, a Terra em órbita ao redor do Sol se move em uma velocidade mais alta ou mais baixa em relação às partículas próximas da MT durante o ano . Isso pode levar a uma fixação do número de colisões com a MT, mudando ciclicamente ao longo do ano.
Infelizmente, mesmo que pareça bonito, os fenômenos de fundo podem realmente mudar ciclicamente ao longo do ano, possivelmente devido ao fato de que pequenas mudanças de temperatura podem fazer com que mais ou menos gases radioativos circulem na mina, ou algo assim . Portanto, embora os dados da DAMA / LIBRA demonstrem inequivocamente flutuações no número de colisões de partículas candidatas à MT, ainda não está totalmente claro se essa é a MT. Até o momento, ninguém conseguiu confirmar seus sinais, mas ninguém conseguiu provar que este é um alarme falso.
DAMA / LIBRA não é o único. Recentemente, o experimento CoGeNT relatou a descoberta de um excesso de possíveis colisões, cujo número, como o de DAMA / LIBRA, flutua ao longo do ano.
E isso não é tudo. O experimento CRESST também relatou a fixação de vários candidatos a partículas de MT que atingem núcleos atômicos em seus detectores. Existem vários efeitos prováveis que podem fornecer candidatos desse tipo - mas, de acordo com eles, se você adicionar todos esses efeitos, obterá cerca de 42 candidatos, e eles já viram 67, o que corresponde a 4 desvios padrão, o que é uma evidência bastante forte de que falta alguma coisa.
Finalmente, outra dica: o experimento CDMS relatou a fixação de três candidatos a colisões de MT em suas peças de silício. Eles possuem detectores baseados em silício e germânio. Um novo resultado foi obtido com base em dados de detectores de silício. Como o núcleo de silício é muito mais leve que o núcleo de germânio, o silício responde melhor a colisões com partículas leves de HM. E é muito interessante!
Mas, como afirmam com cuidado, dificilmente é possível chamar o resultado de decisivo. Este certamente não é o resultado de efeitos de fundo. À primeira vista, isso não é óbvio; os antecedentes que eles conhecem devem ceder em média apenas metade das colisões, e a possibilidade de obter esses três eventos é de cerca de 5% - não inteiramente inacreditável, considerando quantas coisas improváveis podem acontecer no experimento. Mas quando eles levam em consideração as energias desses candidatos a colisões, a probabilidade cai para 0,2%. E então o assunto se torna sério. Mas lembre-se: tudo isso significa que (a) eles descobriram a MT ou (b) eles descobriram a atividade em segundo plano ainda desconhecida, dando um sinal falso.
Se você juntar todas as quatro experiências, as notícias são boas e ruins. A boa notícia é que todos os quatro desses experimentos - DAMA / LIBRA, CRESST, CoGeNT e CDMS - correspondem a partículas de TM localizadas em algum lugar na faixa de 10 GeV / s
2 .
Uma notícia moderadamente ruim é que as quatro dimensões não são consistentes; a partir da probabilidade de interação de partículas da MT de uma determinada massa, o seguinte dos experimentos não coincide e varia até dez vezes. Isso é mostrado na figura abaixo (retirada do
trabalho do CDMS), onde é mostrado que as quatro bandas diferentes associadas às observações dos quatro experimentos geralmente não se sobrepõem. Isso significa que pelo menos duas dessas experiências devem ser alarmes falsos.
A figura mostra as seções permitidas e inaceitáveis (com precisão de 90%) em função da massa da partícula TM (eixo horizontal) e do número de interações com a matéria comum (eixo vertical). DAMA / LIBRA, CRESST e CoGeNT são mostrados em amarelo, marrom e rosa, respectivamente. Novos resultados do CDMS são apresentados em ciano e azul; o asterisco preto é a melhor aproximação. Observe que não há pontos em que três ou quatro seções se cruzam ao mesmo tempo. Nesse caso, os resultados da análise nas experiências XENON10 e XENON100 excluem todas as áreas acima das linhas verde-clara e verde-escura, que incluem todas as outras quatro experiências.Notícias muito ruins se seguem dos resultados de outro experimento, que deve (aparentemente) ser mais sensível a partículas de MT desse tipo do que qualquer outro experimento. Quero dizer o XENON100. Para a maioria dos sinais no XENON100, muitos eventos candidatos tiveram que acontecer, dezenas ou mais. Mas até agora apenas dois o viram. E acontece que todos esses sinais são excluídos pelo experimento XENON100, bem como por uma análise especial de seu antecessor, o XENON10. Pode-se argumentar sobre o fato de que os resultados do CoGeNT e CDMS são pouco refutados e, portanto, talvez ainda devam ser levados a sério.
Mas o fato preocupante é que, em todas essas experiências subterrâneas, um pequeno histórico não registrado deve se manifestar na forma de vários candidatos adicionais à colisão de baixa energia, que se parecerão muito com o que se pode esperar de partículas de baixa massa.
Como disse o professor Juan Collard, chefe do experimento CoGeNT da Universidade de Chicago, em uma conferência no CUNY Science Center em Nova York há vários anos, a saga sobre a descoberta da MT provavelmente será uma longa história de descoberta de um cenário inesperado após o outro - e essa história pode continuar muito tempo, até que as TMs sejam encontradas, se é que existem, em um desses experimentos. E isso se reflete nos muitos alarmes falsos que vimos recentemente. Curiosamente, Collard parou de fazer tais declarações depois que o CoGeNT começou a receber um sinal que pode ser interpretado como TM. Mas lembre-se do que você disse, Juan. Nós lembramos.
Enquanto isso, é por causa de tais mistérios que os físicos teóricos vivem. O quebra-cabeça! Desafio! Invente a teoria da TM para que os experimentos com CDMS e CoGeNT possam detectar facilmente seus efeitos, mas o XENON100 não pode! Os experimentos funcionam de maneira diferente - o CDMS e o CoGeNT consistem em pedaços de silício e germânio, respectivamente, e o XENON100 usa - uma surpresa! - um barril de xenon. Já existem muitos trabalhos sobre esse tópico. Provavelmente, o XENON100 está certo, enquanto o CDMS e o CoGeNT estão observando alguns antecedentes. Mas, talvez, tudo será exatamente o oposto.
Resumindo: temos pelo menos seis alusões à existência da MT, que na maioria das vezes não correspondem uma à outra. A nova dica do CDMS corresponde aproximadamente ao CoGeNT; mas se os dois veem a MT, por que o XENON100 não observa um sinal forte? Todos esses experimentos estão trabalhando para melhorar seus métodos e medições; portanto, se algumas dessas dicas realmente provarem ser sinais de MT, em breve veremos mais exemplos de evidências impressionantes.