O surgimento da matéria escura
Às vezes parece que é a própria matéria escura que está se vingando dos cientistas pela desatenção com que sua descoberta foi recebida há mais de 80 anos. Então, em 1933, o astrônomo americano de origem suíça Fritz Zwicky, observando seiscentas galáxias no aglomerado Coma localizado a 300 milhões de anos-luz da Via Láctea, descobriu que a massa deste aglomerado, determinada com base na velocidade de movimento das galáxias, é 50 vezes maior que a massa calculado estimando a luminosidade das estrelas.
Não tendo a menor idéia do que é essa diferença de massa, ele deu a ela a agora definição oficial - matéria escura.
Por muito tempo, muito poucas pessoas se interessaram pela matéria escura. Os astrônomos acreditavam que o problema da massa oculta seria resolvido por si só quando fosse possível coletar informações mais completas sobre o gás cósmico e estrelas muito fracas. A situação começou a mudar somente depois que os astrônomos americanos Vera Rubin e Kent Ford publicaram os resultados das medições das velocidades das estrelas e nuvens de gás na grande galáxia espiral M31 - a nebulosa de Andrômeda em 1970. Contra todas as expectativas, descobriu-se que longe de seu centro, essas velocidades são aproximadamente constantes, o que contradiz a mecânica newtoniana e recebeu uma explicação apenas na suposição de que a galáxia está cercada por uma grande quantidade de massa invisível.
Quando você se depara com um fenômeno sobre o qual nada se sabe, então um grande número de explicações podem ser atribuídas a ele, e tudo o que resta é classificá-los um por um, varrendo os inúteis e inventando novos ao longo do caminho. Além disso, não é um fato que entre todas essas explicações ela seja correta. O comportamento impróprio das estrelas periféricas poderia ser explicado pelo movimento em duas direções - corrigindo ligeiramente as leis de Newton ou reconhecendo que há matéria no mundo diferente da nossa, que não vemos, porque as partículas de que é composta não participam da interação eletromagnética, então eles não emitem luz e não a absorvem, interagindo com o nosso mundo apenas por meio da gravidade.
Newton estava errado?
A primeira direção, isto é, a correção contra-newtoniana, desenvolveu-se um tanto lentamente. É verdade que, em 1983, o teórico israelense Mordechai Milgrom criou a chamada mecânica newtoniana modificada, na qual pequenas acelerações reagem a uma força atuante de maneira um pouco diferente da forma como aprendíamos na escola. Esta teoria encontrou muitos seguidores e logo foi desenvolvida a tal ponto que a necessidade de matéria escura desapareceu. Vale ressaltar que a própria Vera Rubin, pioneira internacionalmente reconhecida no estudo da matéria escura, sempre foi inclinada a modificar as leis de Newton - parece que ela simplesmente não gostou da ideia de uma substância abundante, mas que ninguém jamais viu.
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O indescritível covarde
Existem muitos candidatos para partículas de matéria escura, e para a maioria deles há um nome generalizante e quase sem sentido "WIMPs" - esta é a abreviatura em inglês WIMPs, derivada do termo "Weakly Interacting Massive Particles" ou "fracamente interagindo com partículas massivas". Em outras palavras, são partículas que participam apenas de interações gravitacionais e fracas - seu efeito se estende a dimensões muito menores que as dimensões do núcleo atômico. É na busca por esses WIMPs como a explicação mais sugestiva que hoje se dirigem os principais esforços dos cientistas.
Os detectores WIMP, especialmente aqueles que os capturam para o xenônio, são semelhantes em princípio às armadilhas de neutrinos. Houve uma época em que até se acreditava que o neutrino era o muito esquivo WIMP. Mas a massa dessa partícula acabou sendo muito pequena - sabe-se que 84,5% de toda a matéria do Universo é matéria escura e, segundo os cálculos, não haverá tantos neutrinos nessa massa.
O princípio é simples. Pegue, digamos, o xenônio como o mais pesado dos gases nobres, resfriado a temperaturas de nitrogênio e, de preferência, menor, protegido de quaisquer "hóspedes" desnecessários, como raios cósmicos, muitas fotocélulas são instaladas ao redor do vaso de xenônio e todo este sistema, localizado no subsolo, continua a esperar. Porque você tem que esperar muito tempo - de acordo com os cálculos, o comprimento de uma armadilha com xenônio, que será capaz de capturar um WIMP passando por ela com 50 por cento de probabilidade, deve ser de 200 anos-luz!
Aqui, captura significa o voo do covarde perto do átomo de xenônio e o voo a uma distância em que a interação fraca já está funcionando, ou um impacto direto no núcleo. No primeiro caso, o elétron externo do átomo de xenônio será nocauteado para fora de sua órbita, o que será registrado pela mudança de carga; no segundo, ele saltará para outro nível e imediatamente retornará "para casa" com a emissão subsequente de um fóton, que é então registrado pelos fotomultiplicadores.
Sensação ou engano?
No entanto, “simples” não é bem a palavra certa quando aplicada a detectores WIMP. Não é muito fácil e muito caro. Um desses detectores com o nome simples de Xenon foi instalado no laboratório italiano subterrâneo de Gran Sasso. Até o momento, ele foi modificado duas vezes e agora leva o nome de Xenon1T. É totalmente limpo de impurezas que podem levar a sinais semelhantes aos sinais da matéria escura. Por exemplo, de um dos poluentes típicos - o isótopo radioativo criptônio-85. Seu conteúdo em xenônio comercial é de apenas algumas partes por milhão, mas ao procurar WIMPs é uma imundície total. Portanto, a partir da segunda modificação da instalação - Xenon100 - os físicos purificam adicionalmente o xenônio, reduzindo a concentração do poluente a centenas de partes por trilhão.
Detector XENON100
Foto: Wikimedia Commons
E ligando o detector, eles, é claro, disseram que o querido "quase". Durante a primeira sessão de observação de 100 dias, os cientistas registraram até três impulsos, muito semelhantes aos sinais de WIMPs voadores. Eles não acreditaram em si mesmos, embora provavelmente quisessem acreditar, mas era 2011, já marcado por um forte furo: os físicos descobriram que os neutrinos que chegavam até eles do CERN no decorrer de outro experimento voavam a uma velocidade superior à velocidade da luz. Os cientistas, tendo verificado, ao que parecia, tudo o que só pode ser verificado, dirigiram-se à comunidade científica com um pedido para ver o que estava errado. Os colegas procuraram e não encontraram erros, dizendo, porém, que isso não poderia ser, porque nunca poderia ser. E assim aconteceu: o furo, ao que parece, era apenas um conector com mau contato, difícil de perceber.
E agora, sob o peso de tal fiasco, os cientistas novamente enfrentaram uma escolha. Se forem WIMPS, então este é um Prêmio Nobel garantido e imediato. E se não? Na segunda vez, eles não queriam ser desonrados e começaram a verificar e verificar novamente. Como resultado, descobriu-se que dois dos três sinais podem muito bem ser sinais parasitas de átomos poluentes de fundo, que não foram completamente eliminados. E o sinal restante não entrou em nenhuma estatística, então o melhor seria esquecê-lo e não lembrar mais.
O detector viu "nada"
Outro "quase" soou quando representantes da colaboração que trabalhavam no detector de matéria escura mais sensível LUX (Large Underground Xenon), que está localizado em uma mina de ouro abandonada em Dakota do Sul, anunciaram que haviam mudado a calibração do detector. Depois disso, eles tiveram a esperança, beirando a certeza, de que o tão esperado "quase" finalmente se tornaria realidade. O detector LUX, que desde o primeiro dia de existência foi muito mais sensível que o italiano, é duas vezes mais sensível a WIMPs severos e 20 vezes mais sensível aos pulmões.
Detector LUX
Foto: Grande detector de xenônio subterrâneo
Durante a primeira sessão de observação de 300 dias, que começou no verão de 2012 e terminou em abril de 2013, a LUX não viu nada, mesmo onde poderia ter visto algo pelo menos por educação. Como Daniel McKinsey, um membro da colaboração LUX na Universidade de Yale, disse: "Não vimos nada, mas vimos este 'nada' melhor do que qualquer um antes de nós."
Como resultado desse "nada", várias versões promissoras foram completamente descartadas de uma vez, especialmente em relação aos WIMPs "leves". O que não contribuiu para a colaboração de simpatizantes entre aqueles cujas versões foram rejeitadas pelo LUX. Os colegas os atacaram com um monte de censuras por sua incapacidade de configurar o experimento corretamente - a reação é normal e esperada.
Os físicos não sabem absolutamente nada sobre a massa de WIMPs - se é que existem. Agora a pesquisa é realizada na faixa de massa de 1 a 100 GeV (a massa do próton é de cerca de 1 GeV). Muitos cientistas sonham com WIMPs com uma massa de cem prótons, porque as partículas com tal massa são previstas pela teoria supersimétrica, que na verdade ainda não se tornou uma teoria, mas é apenas um modelo muito bonito, mas especulativo e que muitos prevêem o destino do sucessor do Modelo Padrão. Este seria um verdadeiro presente para os defensores da supersimetria, especialmente agora, quando o experimento no Grande Colisor de Hádrons ainda não registrou nenhuma das partículas que previu.
A segunda sessão de observação no detector LUX, que terminará no próximo ano, deve, graças às calibrações já mencionadas no início, aumentar seriamente a sensibilidade do detector e ajudar a capturar wimps de várias massas (anteriormente o LUX estava sintonizado para a sensibilidade mais alta de cerca de 34 GeV), detectando seus sinais onde eles foram previamente ignorados. Por outras palavras, no próximo ano nos espera mais um “quase” muito decisivo.
Se esse "quase" não acontecer, então também está tudo bem: o próximo detector LZ, que é muito mais sensível, já está sendo preparado para substituir o LUX. Espera-se que seja lançado vários anos depois. Ao mesmo tempo, a colaboração DARWIN está a preparar um "monstro" com capacidade para 25 toneladas de xénon, perante o qual o LUX, com os seus 370 kg de gás, parece "cego" e inútil para tudo. Portanto, parece que os wimpam - se eles existirem - simplesmente não terão onde se esconder e, mais cedo ou mais tarde, se farão sentir. Os físicos não dão a eles mais do que dez anos para isso.
Wimp ou wisp?
Se os fracos continuarem a persistir em sua indefinição, ainda haverá um axion, que também deve ser perseguido. Axions são partículas hipotéticas introduzidas em 1977 pelos físicos americanos Roberto Peccei e Helen Quinn para livrar a cromodinâmica quântica de alguma quebra de simetria. Estes são, na verdade, também Wimps, pertencentes à subcategoria dos wisps mais leves (Weakly Interacting Slim Particles), mas têm uma peculiaridade: em um campo magnético forte, eles devem induzir fótons pelos quais podem ser facilmente detectados.
Hoje, poucas pessoas se interessam pelos axions, nem mesmo porque as pessoas não acreditem muito neles, e não porque o seu registo esteja associado a algumas dificuldades especiais, é apenas que a sua procura está associada a gastos demasiado elevados. Para que o áxion comece a converter fótons virtuais em reais, são necessários campos magnéticos muito fortes - curiosamente, já existem ímãs com os campos necessários. O mercado oferece 18 ímãs Tesla, existem 32 ímãs Tesla experimentais, mas são máquinas muito caras e difíceis de obter. Além disso, aqueles de quem depende o financiamento de tais pesquisas não acreditam realmente na realidade da existência de áxions. Talvez algum dia a necessidade de procurar áxions torne essas dificuldades financeiras superáveis e, nessa época, os ímãs ficarão mais baratos.
Apesar da busca aparentemente interminável e infrutífera por WIMPs, as coisas estão realmente indo bem. Para começar, você precisa descobrir a versão mais simples e óbvia - os wimps. Quando eles forem encontrados, e sua massa for conhecida, os físicos terão que pensar sobre o que esses WIMPs são - eles são realmente neutralinos pesados, um conjunto quântico de superparceiros do fóton, bóson Z e bóson de Higgs, como muitos físicos agora assumem, ou algo assim - algo mais. Se WIMPs não forem encontrados em toda a faixa de massas possíveis, será necessário considerar opções alternativas - por exemplo, procurar WIMPs de outras maneiras. Por exemplo, se este é o famoso férmion de Majorana, que é ele próprio uma antipartícula, então, encontrando-se, tais férmions deveriam se aniquilar, transformando-se em radiação e deixando uma memória sobre si mesmos na forma de um excesso de fótons.
Se não houver uma maneira de detectar WIMPs, o que na verdade parece improvável, será possível examinar mais de perto as opções com a mecânica newtoniana modificada. Também será possível verificar (ainda não está claro como) uma versão completamente fantástica associada às sete dimensões extras previstas pela teoria das cordas, que estão escondidas de nós, uma vez que estão enroladas em bolas do tamanho de Planck. De acordo com alguns dos modelos dessa multidimensionalidade, a força gravitacional penetra em cada uma dessas dimensões e, portanto, é muito fraca em nosso mundo tridimensional. No entanto, isso levanta a possibilidade de que a matéria escura esteja escondida nessas dimensões enroladas e se manifeste apenas graças à gravidade onipresente. Existem também explicações exóticas para a matéria escura associada a defeitos topológicos de campos quânticos,surgindo durante o Big Bang, há também uma hipótese que explica a matéria escura pela fractalidade do espaço-tempo, e não há dúvida de que, se necessário, os físicos teóricos surgirão com outra coisa não menos original. O mais importante é adicionar a única explicação correta a esta lista.
