Zeroing In On Dark Matter: "Um Mistério Completo que Mora além do Modelo Padrão de Física de Partículas"

Na busca da misteriosa matéria escura, os físicos usaram elaborados cálculos computacionais para elaborar um esboço das partículas dessa forma desconhecida da matéria. Para fazer isso, os cientistas estenderam o bem sucedido Modelo Padrão de física de partículas que lhes permitiu, entre outras coisas, prever a massa dos chamados axiões, prometendo candidatos à matéria escura.

Uma equipe de pesquisadores alemão-húngaro liderada pelo professor Zoltán Fodor da Universidade de Wuppertal, Universidade de Eötvös em Budapeste e Forschungszentrum Jülich realizou seus cálculos no supercomputador Jülich JUQUEEN (BlueGene / Q) e apresenta seus resultados na revista Nature.

"A matéria escura é uma forma invisível de matéria que até agora só se revelou através de seus efeitos gravitacionais." O que consiste em permanece um mistério completo ", explica o co-autor Dr. Andreas Ringwald, que se baseia no DESY e propôs a pesquisa atual .

A evidência para a existência desta forma de matéria vem, entre outras coisas, da observação astrofísica das galáxias, que giram demasiado depressa para serem unidas apenas pela força gravitacional da matéria visível.

Medições de alta precisão usando o satélite europeu "Planck" mostram que quase 85 por cento de toda a massa do universo consiste de matéria escura. Todas as estrelas, planetas, nebulosas e outros objetos no espaço que são feitos de matéria convencional representam não mais de 15% da massa do universo.

"O adjetivo" escuro "não significa simplesmente que ele não emite luz visível", diz Ringwald. "Ele não parece desprender quaisquer outros comprimentos de onda - sua interação com fótons deve ser muito fraca."

Durante décadas, os físicos têm procurado partículas deste novo tipo de matéria.O que está claro é que essas partículas devem estar além do Modelo Padrão de física de partículas, e enquanto esse modelo é extremamente bem-sucedido, ele atualmente só descreve os 15 por cento convencionais de toda a matéria no cosmos.

Das extensões teoricamente possíveis ao Modelo Padrão, os físicos não só esperam uma compreensão mais profunda do universo, mas também pistas concretas em que intervalo de energia vale particularmente a pena buscar candidatos à matéria escura.

A forma desconhecida da matéria pode consistir em comparativamente poucas, mas partículas muito pesadas, ou de um grande número de luz. As pesquisas diretas para candidatos pesados ​​de matéria escura usando detectores grandes em laboratórios subterrâneos e a busca indireta por eles usando aceleradores de partículas grandes ainda estão acontecendo, mas ainda não conseguiram encontrar partículas de matéria escura.

Uma série de considerações físicas fazem partículas extremamente leves, denominadas axiões, candidatas muito promissoras. Usando configurações experimentais inteligentes, pode até ser possível detectar evidências diretas deles. 
"No entanto, para encontrar esse tipo de evidência, seria extremamente útil saber que tipo de massa estamos procurando", enfatiza o físico teórico Ringwald."Caso contrário, a busca poderia levar décadas, porque seria preciso varrer um alcance muito grande".

A existência de axiões é prevista por uma extensão à cromodinâmica quântica (QCD), a teoria quântica que governa a interação forte, responsável pela força nuclear. A forte interação é uma das quatro forças fundamentais da natureza ao lado da gravitação, do eletromagnetismo e da força nuclear fraca, responsável pela radioatividade.

"As considerações teóricas indicam que há chamados flutuações quânticas topológicas na cromodinâmica quântica, o que deveria resultar em uma violação observável da simetria de reversão do tempo", explica Ringwald. Isso significa que certos processos devem diferir dependendo se eles estão executando para frente ou para trás. No entanto, até agora nenhum experimento conseguiu demonstrar esse efeito.

A extensão à cromodinâmica quântica (QCD) restaura a invariância das inversões de tempo, mas ao mesmo tempo prediz a existência de uma partícula de interação muito débil, o axion, cujas propriedades, em particular sua massa, dependem da força do quantum topológico Flutuações.

No entanto, é preciso supercomputadores modernos como Jülich JUQUEEN para calcular o último na faixa de temperatura que é relevante na previsão da contribuição relativa de axiões para a matéria que compõe o universo. "Além disso, tivemos de desenvolver novos métodos de análise para atingir a faixa de temperatura necessária", observa Fodor, que liderou a pesquisa.

Os resultados mostram, entre outras coisas, que se os axiões formam a maior parte da matéria escura, eles deveriam ter uma massa de 50 a 1500 microelétrons voltados, expressos nas unidades habituais da física de partículas, e assim ser até dez bilhões de vezes Mais leve do que os elétrons. Isso exigiria que cada centímetro cúbico do universo contasse em média dez milhões de partículas ultra-leves.

No entanto, a matéria escura não está espalhada uniformemente no universo, mas forma aglomerados e ramos de uma rede semelhante a uma rede. Devido a isso, nossa região local da Via Láctea deve conter cerca de um trilhão axions por centímetro cúbico.

Graças ao supercomputador Jülich, os cálculos agora fornecem aos físicos uma escala concreta em que sua busca de axions é provavelmente a mais promissora.

"Os resultados que estamos apresentando provavelmente levarão a uma corrida para descobrir essas partículas", diz Fodor. Sua descoberta não só resolveria o problema da matéria escura no universo, mas, ao mesmo tempo, responderia à pergunta de por que a forte interação é tão surpreendentemente simétrica em relação à reversão do tempo.

Os cientistas esperam que seja possível nos próximos anos confirmar ou descartar experimentalmente a existência de axiões.

O Instituto de Pesquisas Nucleares da Academia Húngara de Ciências de Debrecen, o Grupo de Pesquisa de Teoria de Calibres Lattice Lendület da Universidade de Eötvös, a Universidade de Saragoça, em Espanha, e o Instituto Max Planck de Física de Munique também estiveram envolvidos na pesquisa.

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, o principal centro acelerador alemão e um dos líderes do mundo. Em seus locais de Hamburgo e Zeuthen perto de Berlim, a DESY desenvolve, constrói e opera grandes aceleradores de partículas, e os usa para investigar a estrutura da matéria.

A combinação do DESY de fótons e física de partículas é única na Europa. Para a pesquisa de partículas axion-like, a experiência ALPS II está sendo construída atualmente por uma colaboração internacional em DESY.

The Daily Galaxy via Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Crédito da imagem: Com agradecimentos a PBS