A matéria escura compõe cerca de 23 por cento do conteúdo massa-energia do universo, mesmo que nós não sabemos o que é ou ainda têm que ver diretamente (o que é por isso que é chamado de "escuro"). Então, como podemos detectá-lo e quando o fazemos, o que vai revelar sobre o universo? Em meados de outubro, mais de 100 cosmólogos, físicos de partículas e astrofísicos se reuniram para uma reunião chamada " matéria escura do Universo: No Limiar da Descoberta ", da Academia Nacional de Ciências Beckman Center, em Irvine, CA. Seu objetivo: fazer um balanço das mais recentes teorias e descobertas sobre a matéria escura, avaliar o quão perto estamos de detectá-lo e desencadear discussões interdisciplinares e colaborações no sentido de resolver o enigma da matéria escura.
A imagem acima é um dos mapas mais detalhados de matéria escura no universo já criado. A localização da matéria escura (tingido de azul) foi inferida através de observações de ampliadas e distorcidas galáxias distantes visto nesta imagem.
"Descobrir o que é a matéria escura tornou-se um problema que astrofísicos, cosmólogos e físicos de partículas todos querem resolver, porque a matéria escura é fundamental para a nossa compreensão do universo", diz Michael S. Turner - Rauner Distinguished Service Professor e Diretor do Instituto Kavli de Física Cosmológica na Universidade de Chicago. "Nós agora temos uma hipótese convincente, ou seja, que a matéria escura é composta por WIMPs ( Fracamente Interagindo Partículas maciça ), partículas que não irradiar luz e interagir raramente com a matéria comum. Depois de décadas de tentar descobrir como testar a idéia de que matéria escura é feita de WIMPs, temos três maneiras de testar esta hipótese. melhor de tudo, todos os três métodos estão se fechando em ser capaz de confirmar ou refutar a WIMP. Assim, as estrelas têm realmente alinhados. "
Um cosmólogo teórico formado em física de partículas e astrofísica ambos, Michael Turner cunhou o termo "energia escura" prazo e ajudou a estabelecer o campo interdisciplinar que combina cosmologia e física de partículas elementares. "Dez anos atrás", diz Turner, "Eu não acho que você teria astrónomos descobriram, cosmólogos e físicos de partículas todos concordando que a matéria escura foi muito importante. E agora, o que fazem. E todos eles acreditam que podem resolver o problema em breve. É maravilhoso ouvir os físicos de partículas explicar a evidência de matéria escura, e vice-versa astrônomos explicando WIMPs como matéria escura. Neste encontro ninguém disse, "Oh, eu realmente não acredito em evidência. nem qualquer um dizer: "Caramba - uma nova forma de matéria Isso é loucura.".
Maria Spiropulu - Professor de Física na California Institute of Technology , que também trabalha em experimentos no Grande Colisor de Hádrons , e um ex-companheiro no Instituto Enrico Fermi , observou que "Uma coisa importante que nós vimos nesta reunião é um cruzamento de profissional ... fronteiras que separaram os pesquisadores em muitos campos diferentes no passado esses limites têm sido rigoroso cosmólogos, astrofísicos e físicos de partículas, no entanto, agora realmente começou a conversar com um outro sobre a matéria escura Nós estamos apenas começando e nossa língua - a maneira falam uns com os outros - ainda não está resolvida, para que entender completamente o outro, mas estamos no limiar de descobrir algo muito importante para todos nós Isto é crítico porque cosmólogos e físicos de partículas têm falado por um longo tempo sobre como. o muito grande e muito pequeno pode ser vinculado. E enquanto os físicos de partículas estudar a muito pequena com aceleradores, os cosmólogos estudar as galáxias e bilhões e bilhões de estrelas que compõem a estrutura em larga escala que vemos no universo. "
"A convergência de espaço interior e espaço exterior realmente começou na década de 1980, disse Turner." Naquela época começou com a origem da assimetria bariônica, o problema do monopolo e matéria escura, em menor grau. Os físicos de partículas concordou que a matéria escura foi um problema real, mas disse: "A solução poderia ser astrofísica -. Estrelas fracas, 'Jupiters", buracos negros e afins "Tem sido um longo caminho para chegar onde estamos agora, ou seja, onde nós todos concordam que a solução mais convincente é a matéria escura partícula. E mesmo hoje, os diferentes campos ainda são, em certo sentido, para conhecer um ao outro. "
"Como os cosmólogos", disse Rocky Kolb , que estuda a aplicação de partículas elementares da física ao Universo primordial , e é co-autor, com Michael Turner do início do universo, o livro padrão em física de partículas e cosmologia ", um dos nosso trabalho é entender o que o universo é feito. Para uma boa aproximação, as galáxias e outras estruturas que vemos no universo são feitos predominantemente de matéria escura. Concluímos este a partir de um corpo enorme de provas, e agora nós precisamos descobrir o que exatamente é a matéria escura. A emoção agora é que está se aproximando de uma resposta, e apenas uma vez na história dos seres humanos alguém vai descobrir. Haverá algum estudante de pós-doutorado ou em algum lugar ou experimentalista que vai olhar no próximos 10 anos em seus dados, e dos sete ou mais bilhões de pessoas no mundo que a pessoa vai descobrir que as galáxias são feitas principalmente de. Ele só vai acontecer uma vez. "
"A história começou com a matéria escura evidência fragmentária descoberto por Fritz Zwicky, um americano suíço", Turner apontou. "Ele achou que não eram estrelas suficientes nos aglomerados de galáxias observadas ele para mantê-los juntos. Lentamente, mais foi entendida e, finalmente, matéria escura tornou-se uma peça central da cosmologia E agora, temos estabelecido que a matéria escura é de cerca de 23 por cento do universo; matéria ordinária é de apenas 4 por cento ½;.. ea energia escura é que 73 por cento outro - o que é um enigma ainda maior Nada cosmologia faz sentido sem matéria escura. que precisávamos para formar galáxias, estrelas e outras estruturas no Universo. Então é absolutamente central para a cosmologia. Sabemos também que nenhuma das partículas conhecidas de existir pode ser a partícula de matéria escura. Assim tem que ser uma nova partícula da natureza Notavelmente, nossa hipótese mais conservadora agora é que a matéria escura é uma nova forma de matéria -.. aí para ser descoberto e para nos ensinar sobre a física de partículas Um físico de partículas experimental, Maria é Spiropulu interessado na busca de matéria escura no Large Hadron Collider do CERN (A Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear ), e perguntas sobre a matéria escura que atravessam a física das partículas, astrofísica e cosmologia. "
Maria Spiropulu acrescentou que "O fenômeno da matéria escura foi descoberta a partir de observações astronômicas. Sabemos que as galáxias se juntam e não voam à parte, e é o mesmo com aglomerados de galáxias. Então, nós sabemos que temos estrutura no universo. Seja o que for que o mantém lá, sob qualquer forma que seja, nós chamamos isso de matéria escura. Esta é a maneira que eu ensino para alunos de graduação. É uma história fantástica. Ainda é um mistério e por isso é "escuro", mas o universo e suas estruturas - as galáxias e tudo o mais que observamos no mundo macroscópico - estão juntos por causa dela ".
"A matéria escura é absolutamente central para a cosmologia, disse Turner," e as evidências para isso vem de muitos diferentes medições: a quantidade de deutério produzido no Big Bang, a radiação cósmica de fundo, a formação da estrutura no Universo, curvas de rotação de galáxias , lente gravitacional, e assim por diante. "
O que é a matéria escura? Nós não sabemos, mas os cosmólogos, astrofísicos e físicos de partículas experimentais dizem que estão se aproximando de um answer.Knowing exatamente o que é a matéria escura é menos importante do que o trabalho já feito - medindo sua influência gravitacional sobre a matéria comum, estimar o quanto de o universo é feito a partir dele, e afirmando que o que sabemos sobre ele se encaixa com o modelo padrão da cosmologia.
"Há cinco vezes mais matéria escura do que matéria comum, e sua existência nos permite compreender a história do universo início de uma sopa de partículas sem forma até onde estamos hoje", disse Turner. "Se você disse, 'Você não tem mais matéria escura," o nosso atual modelo cosmológico entraria em colapso. Nós seria voltar à estaca zero. "
"A hipótese de que a matéria escura é feita de WIMPs - e que foi produzido por partículas normais, digamos quarks, no início do universo - é uma conquista incrível por si só, observou Kolb." Independente de um monte de detalhes sobre o que vai lá e exatamente como isso acontece, nós esperamos que você deve ser capaz de reverter as coisas e produzir WIMPs em aceleradores de partículas. Esperamos também que eles devem ser aniquilando hoje na galáxia, que deve ser capaz de detectar indiretamente. Agora, é uma outra questão, que será o primeiro a encontrar WIMPs. É possível que ele vai ser mais 30 anos antes de fazer isso, mas deve ser capaz de fazer uma detecção -. Seja direta ou indireta "
Marion Spiropulu respondeu que "Com o Large Hadron Collider, e antes que o colisor Tevatron, que têm perseguido e orientar o candidato a matéria escura. Para nós, o otimismo é porque o LHC está funcionando e estamos coletando muitos dados. No modelo padrão da física de partículas, quando ampliá-la para ajudar a explicar como o universo começou e evoluiu, temos uma história que é uma história de matemática. Ele é muito bom no que descreve como podemos ter a matéria escura. E se a matemática descreve com precisão realidade, então o LHC está agora alcançando as energias que são necessárias para a produção de partículas de matéria escura. Chegar a essas altas energias é fundamental, e nós estamos indo para energias mais elevadas. Quando estávamos construindo o modelo padrão da física de partículas, que dizia que a descoberta de partículas próximo que previmos foi "ao virar da esquina." Em outras palavras, nós não éramos, e nós não somos, voando no escuro. Somos guiados por uma enorme quantidade de dados e conhecimento, e enquanto você pode acho que existem infinitas possibilidades do que pode acontecer, os dados realmente aponta para algo que é mais provável., por exemplo, encontramos a partícula de Higgs-como, mas que foi previsto. Assim, o próximo grande passo para este edifício do conhecimento é para encontrar algo que será semelhante a supersimetria - uma hipótese que, se verdadeira, oferece um candidato perfeito para a matéria escura Nós chamamos de milagre, porque a matemática funciona, mas a forma como a natureza funciona, no final, é o que você vê no.. os dados. Então, se encontrá-lo, não há milagre. "
"Partículas de matéria escura, ou fracos", disse Turner, "não interagem com a matéria comum, muitas vezes. Levou 25 anos para melhorar a sensibilidade dos nossos detectores por um fator de um milhão, e agora eles têm uma boa chance de detectar a partículas de matéria escura. Devido aos desenvolvimentos tecnológicos, pensamos que estamos à beira de uma detecção direta. Da mesma forma para a detecção indireta. Agora temos instrumentos, como o satélite Fermi (o Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray) eo detector IceCube (o Observatório de Neutrinos IceCube no Pólo Sul), que pode detectar as partículas ordinárias (pósitrons, raios gama ou neutrinos) que são produzidos quando partículas de matéria escura aniquilar, indiretamente, permitindo que a matéria escura para ser detectado. IceCube é grande o suficiente para detectar neutrinos que são produzidos por escuras aniquilação de matéria do sol. "
Respondendo a observação de que a partícula de matéria escura pode não ser detectável, Turner disse que de 20 a 30 anos, a idéia de que a matéria escura é parte de uma teoria unificada tem sido o nosso Santo Graal e levou à hipótese de WIMP ea crença de que o partícula de matéria escura é detectável. "Mas há uma nova geração de físicos que está dizendo, 'Bem, não há uma visão alternativa. Matéria escura é realmente apenas a ponta de um iceberg de um outro mundo que não tem relação com o nosso mundo. E eu não posso mesmo dizer-lhe sobre aquele mundo. Não há regras para esse outro mundo, pelo menos, que nós sabemos ainda. " Infelizmente, este ponto de vista pode ser correta e pode significar a solução para o problema da matéria escura ainda é muito longe, que a descoberta de que a matéria escura é realmente poderia ser de 100 anos de distância.
Michael Witherell, professor de Física na Universidade da Califórnia, em Santa Barbara, disse que a natureza não garante uma observação, que Turner disse que é estruturas. Mas que temos a hipótese de WIMP e é falsificável. E há uma boa chance de que é verdade. A "boa chance" neste negócio significa 10 por cento ou 20 por cento. * "É fácil dizer que os fracos serão descobertos em" A década. ", Disse Kolb." LHC está ligando agora. Vai ser mais um ano ou mais antes que eles estão em plena energia, e eles podem executar um par de anos para acumular dados. Enquanto isso, o satélite Fermi está no espaço de observações. E então nós temos experiências subterrânea: a detecção pode vir com Xenon100, experimento uma matéria escura em andamento na região central da Itália, ou algum sucessor Xenon100. Em dez anos, se não houver indicação de supersimetria ou uma WIMP - seja de detecção direta ou pesquisas detecção indireta -, então não vai ser uma mudança radical. Agora, não vai ser um anúncio experimento que diz, 'OK, vamos olhar para outra coisa. " Mas se daqui a dez anos não há provas, então estamos indo para outras possibilidades. Você não poderia ter dito que há dez anos atrás, ou mesmo há cinco anos. Hoje, eu acho que você pode dizer isso. "
"Eu acho que é justo dizer que a descoberta é" ao virar da esquina ", disse Spiropulu." Se continuarmos com exclusões, então nós temos que vir com idéias melhores. Estamos fazendo tudo isso porque queremos caracterizar a matéria escura. Nós não estamos apenas dizendo, "É matéria escura." Nós não queremos apenas dizer: "O universo é." Queremos saber exatamente o que é feito. Queremos conhecer a dinâmica eo que ela envolve. Um monte de trabalho está à frente de nós. Alguém disse que não vai ser tão fácil quanto encontrar a Higgs. Bem, encontrar o Higgs foi extremamente trivial. É claro que, uma vez que encontrá-lo, ele vai na piscina do conhecimento e, em seguida, você diz: "Bem, foi fácil."
"Ee precisa descobrir o que exatamente é a matéria escura. A emoção agora é que está se aproximando de uma resposta, e apenas uma vez na história dos seres humanos alguém vai descobrir." disse Rocky Kolb.
O Galaxy Diário via http://www.kavlifoundation.org
Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech / ESA / Instituto de Astrofísica da Andaluzia, da Universidade de País Basco / JHU
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