O modelo padrão da cosmologia nos diz que apenas 4,9% do universo é feito de matéria comum (do que podemos ver), enquanto o resto é 26,8% de matéria escura e 68,3% de matéria escura. energia. Como o nome desses conceitos sugere, não podemos vê-los, então sua existência deve resultar de modelos teóricos, observações da estrutura em grande escala do Universo e dos efeitos gravitacionais óbvios que aparecem na matéria visível.
Desde que se falou sobre isso pela primeira vez, certamente não faltaram especulações sobre a aparência das partículas de matéria escura. Não muito tempo atrás, muitos cientistas começaram a pensar que a matéria escura consiste em partículas massivas de interação fraca (WIMPs, WIMPs), que têm cerca de 100 vezes a massa de um próton, mas interagem como neutrinos. No entanto, todas as tentativas de encontrar WIMPs usando experimentos com aceleradores de partículas levaram a nada. Portanto, os cientistas começaram a encontrar alternativas possíveis para a composição da matéria escura.
Modelos cosmológicos modernos tendem a supor que a massa da matéria escura está dentro de 100 GeV (gigaeletronvolt), o que corresponde aos limites de massa de muitas outras partículas que interagem com a ajuda de uma força nuclear fraca. A existência de tal partícula corresponderia a uma extensão supersimétrica do Modelo Padrão da física de partículas. Além disso, acredita-se que tais partículas deveriam ter nascido em um Universo primitivo quente e denso, com a densidade de massa da matéria, que permaneceu inalterada até hoje.
No entanto, experimentos em andamento para identificar WIMPs não encontraram nenhuma evidência concreta da existência de tais partículas. Isso incluiu pesquisas por produtos de aniquilação WIMP (raios gama, neutrinos e raios cósmicos) em galáxias e aglomerados próximos, bem como experimentos diretos de detecção de partículas usando supercolliders como o LHC.
Por supersimetria, os wimps se aniquilam entre si, criando uma cascata de partículas e radiação, incluindo raios gama de média energia
Não encontrando nada, muitos cientistas decidiram se afastar do paradigma WIMP e procurar matéria escura em outro lugar. Um desses grupos de cosmologistas CERN e CP3-Origins na Dinamarca publicou recentemente um estudo mostrando que a matéria escura pode ser muito mais pesada e mais fraca para interagir do que se pensava anteriormente.
Um dos membros da equipe de pesquisa CP-3 Origins, Dr. McCullen Sandora, falou sobre os esforços de sua equipe:
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“Ainda não podemos descartar o cenário WIMP, mas a cada ano suspeitamos mais e mais do que nada vimos. Além disso, a escala fraca usual da física sofre de um problema de hierarquia. Não está claro por que todas as partículas que conhecemos são tão leves, especialmente se você olhar para a escala natural da gravidade, a escala de Planck, que é cerca de 1019 GeV. Portanto, se a matéria escura estivesse mais próxima da escala de Planck, ela não seria afetada pelo problema de hierarquia, e isso também explicaria por que não vimos assinaturas associadas a WIMPs.”
Usando um novo modelo que eles chamam de Matéria Escura Interativa de Planck (PIDM), os cientistas estão investigando um limite superior na massa de matéria escura. Enquanto os WIMPs colocam a massa de matéria escura na extremidade superior da escala eletrofraca, a equipe de pesquisa dinamarquesa de Martias Garney, McCullen Sandora e Martin Slot propôs uma partícula com uma massa que está em uma escala natural completamente diferente - a escala de Planck.
Na escala de Planck, uma unidade de massa é equivalente a 2,17645 x 10-8 quilogramas - cerca de um micrograma, ou 1019 vezes a massa de um próton. Nessa massa, cada PIDM é essencialmente tão pesado quanto uma partícula pode ser antes de se tornar um buraco negro em miniatura. O grupo também sugeriu que essas partículas PIDM interagem com a matéria comum apenas gravitacionalmente e que muitas delas foram formadas no início do Universo durante a era de forte aquecimento - um período que começou no final da era inflacionária, em algum lugar de 10-36 a 10- 33 ou 10-32 segundos após o Big Bang.
Esta era é assim chamada porque, durante a inflação, acredita-se que as temperaturas espaciais caíram 100.000 vezes. Quando a inflação terminou, as temperaturas voltaram ao seu nível pré-inflacionário (cerca de 1027 Kelvin). Por esta altura, a maior parte da energia potencial do campo inflacionário decaiu em partículas do Modelo Padrão, que preencheu o Universo, e entre eles - matéria escura.
Naturalmente, a nova teoria traz sua cota de consequências para os cosmologistas. Por exemplo, para este modelo funcionar, a temperatura da época de aquecimento tinha que ser mais alta do que se acreditava atualmente. Além disso, um período de aquecimento mais quente também criaria mais ondas gravitacionais primárias, que seriam refletidas na radiação cósmica de fundo (CMB).
“Essa alta temperatura nos diz duas coisas interessantes sobre a inflação”, diz Sandora. - Se a matéria escura é PIDM: primeiro, a inflação procedeu com energias muito altas, o que produziria não apenas flutuações na temperatura do Universo primitivo, mas também no próprio espaço-tempo, na forma de ondas gravitacionais. Em segundo lugar, ele nos diz que a energia da inflação deveria ter decaído em matéria extremamente rapidamente, porque se demorasse muito, o Universo poderia esfriar até o ponto após o qual não seria mais capaz de produzir PIDM.
A existência dessas ondas gravitacionais pode ser confirmada ou excluída em estudos futuros da radiação cósmica de fundo. Esta é uma notícia extremamente emocionante, pois a recente descoberta de ondas gravitacionais deve levar a esforços renovados para detectar ondas primordiais que estão enraizadas na própria criação do universo.
Como Sandora explicou, tudo isso apresenta um cenário claro de ganha-ganha para os cientistas, já que o mais novo candidato à matéria escura será descoberto ou refutado em um futuro próximo.
“Nosso cenário faz uma previsão inflexível: veremos ondas gravitacionais na próxima geração de experimentos com a radiação cósmica de fundo. Ou seja, é uma situação em que todos ganham: se os virmos, tudo bem, e se não os virmos, saberemos que a matéria escura não é um PIDM, o que significa que devemos esperar alguma de sua interação com a matéria comum. Se tudo isso acontecer nos próximos dez anos, só podemos esperar com impaciência."
Desde que Jacobus Kaptein sugeriu pela primeira vez a existência de matéria escura em 1922, os cientistas procuraram evidências diretas de sua existência. Um após o outro, candidatos entre partículas - do gravitino aos áxions - foram propostos, selecionados e entrados no reino da busca perpétua. Bem, se este último candidato for inequivocamente negado ou confirmado, essa opção já não é ruim.
Afinal, se for confirmado, resolveremos um dos maiores mistérios cosmológicos de todos os tempos. Vamos dar um passo mais perto de entender o universo e como suas forças misteriosas interagem umas com as outras.
