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​Físicos Revivem Uma Velha e Esquisita Teoria Sobre a Matéria Escura

A matéria escura pode não ser tão exótica como sugerido por grande parte das teorias a respeito dela.

por Michael Byrne
05 Novembro 2014, 7:32pm

Crédito: Shutterstock

A matéria escura pode não ser tão exótica como sugerido por grande parte das teorias a respeito dela. Ao invés disso, ela pode ser composta por aglomerados macroscópicos de material formado por partículas comuns já presentes no Modelo Padrão da física de partículas. Este argumento é cortesia de físicos da Case Western University, como apresentado em uma nova pesquisa posta no servidor de pré-impressões arXiv.

A matéria escura é geralmente pensada em termos de partículas exóticas, ainda não descobertas. As principais candidatas são conhecidas como partículas de interação fraca ou WIMPs, no acrônimo em inglês. É neste sentido que concentra-se grande parte de nossos esforços de detecção da matéria escura, mas um punhado de projetos também procura por partículas de "luz escondida", conhecidos como WISPs, partículas finas de interação fraca.

Ambas as variedades de partículas são caracterizadas por um desinteresse pelas forças fundamentais da natureza. As WIMPs sentem somente a gravidade e a força nuclear fraca (que leva a deterioração nuclear), enquanto as WISPs sentem os efeitos da gravidade e um tiquinho de eletromagnetismo (luz, energia térmica, etc.). Na ausência destas interações, as duas partículas comportam-se como fantasmas, existindo e não existindo.

Estas partículas, ao recusarem a interação com fótons (partículas de luz, por exemplo portadores de força eletromagnética), juntam-se massas enormes. Junta, a matéria escura compõe 85% de toda a matéria no universo. Esta massa, que age como uma espécie de armação gravitacional, é o que permite a formação e persistência de galáxias. Todos estamos vivos por conta da matéria escura.

O lance é que nunca fomos capazes de detectá-la, ao menos não diretamente. Sabemos que ela existe por conta de seus efeitos gravitacionais, mas apesar de uma série de experimentos de detecção, ainda esperamos para encontrar uma partícula de matéria escura de fato.

Para aqueles que trabalham descrevendo a realidade, esta ausência é alarmante. Pra começar, ela fornece um terreno fértil para que teorias alternativas surjam. Um exemplo é conhecido como MOND, acrônimo em inglês para dinâmicas Newtonianas modificadas. Basicamente, ela afirma que não existe matéria escura, e os efeitos gravitacionais que observamos são o resultado de uma força gravitacional extática. Ou seja, a equação de Newton para atração gravitacional muda de forma dinâmica com a distância.

Em um primeiro momento, a teoria do pessoal da Case Western é quase tão extrema. Ela também sugere que não existam partículas de matéria escura, ao menos nada além do conhecimento disponível hoje. Ao invés disso existem aglomerados (do tamanho de uma bolinha de baseball, digamos) macroscópicos de matéria "comum" formados por combinações inesperadas de partículas presentes no Modelo padrão. Os físicos responsáveis pela pesquisa, liderados pelo também físico da CWU, Glenn Starkman, chamam esta matéria escura simplesmente de "macros".

O componente definitivo destes macros seria o estranho quark, um tipo de partícula extremamente leve e instável observada em experimentos de colisão de muita energia. (Quarks enquanto classe de partícula são um dos principais constituintes da matéria.) Starkman e sua equipe sugerem que no começo do universo teria sido possível que estes quarks se juntassem com partículas mais comuns em um núcleo estável de matéria. Eles teriam que fazer isso com uma eficiência de 90% para explicar a quantidade de matéria escura presente no espaço, deixando o resto do mundo não-escuro com restos de partículas o suficiente (mas não muitas) para formarem nêutrons e prótons.

"Como apontado, não há evidência experimental de nenhuma partícula candidata a matéria escura ainda", escreveu em um email Geoffrey Taylor, físico e pesquisador da Universidade de Melbourne.

Que alguns objetos pesados e densos com propriedades consistentes com as limitações da matéria escura sejam especulados é razoável. Não existe motivação teórica para a existência destes objetos, mas uma rápida lida da pesquisa sugere esta abordagem simples usando apenas as restrições necessárias do experimento e teoria, resultando em uma série de candidatos possivelmente interessantes no papel da matéria escura.

Para que os macros se encaixem em nossa visão da realidade, algumas coisas teriam que ser verdadeiras. Os aglomerados teriam que ter mais que 55 gramas, ou então teriam sido observados pelos detectores de matéria escura de interação forte do Skylab. Os macros então teriam que ter menos de 1024 milhões de bilhões de bilhões de gramas, ou então teriam massa o suficiente para dobrar a luz estelar.

NÃO SE PODE ARGUMENTAR CONTRA A MOTIVAÇÃO POR TRÁS DISSO, QUE É O FATO DE QUE SABEMOS MUITO POUCO SOBRE A NATUREZA DA MATÉRIA ESCURA.

Esta dobra da luz estelar não foi observadas. As possíveis massas destes macros são ainda mais restritas pelo histórico astrofísico indireto fornecido pelas lâminas de mica enterradas muitos quilômetros abaixo da superfície terrestre.

"Se os macros tem uma massa pequena o bastante, sua densidade seria alta o suficiente para ter deixado algum registro na Terra", nota a pesquisa. "Se eles tem uma densidade baixa o bastante para terem penetrado (cerca de alguns quilômetros) na crosta terrestre, algum registro teria sido deixada na antiga mica moscovita". Nenhum registro foi encontrado.

Vale a pena explicar mais a fundo o papel da densidade aqui. A densidade de determinado candidato a matéria escura é dada pela proporção de σX/Mx, em que σX é uma região do espaço (em que a interação pode se dar), e Mx é uma massa. Os modelos padrão de matéria escura tem um espaço muito pequeno se comparados à massa do material, resultando em densidades baixíssimas e menores interações (interações fracas). É possível, porém, termos matéria escura de interação forte, se, ao invés de tornar a região do espaço pequena, considerarmos a massa maior.

Trata-se de algo intuitivo: adicionar uma gota de corante vermelho a um copo de água e derramar um balde do mesmo corante em uma piscina pode resultar na mesma diluição, ou densidade de corante.

A teoria da matéria escura macro não é tão absurda quanto parece. Em 1984, o astrofísico Edward Witten propôs algo similar: "pequenos quarks densos e invisíveis".

"Muitos modelos que poderiam ter sido definidos como macros já foram desenvolvidos antes, incluíndo os quarks de Witten de 30 anos atrás", afirmou Manoj Kaplinghat, professor de física e astronomia da da UC Irvine que não tem relação nenhuma com a pesquisa em questão.

"Glenn Starkman era parte do esforço seminal nesta direção em 1990. Este artigo tenta sistematizar a descrição dos 'macros' em termos de massa e como eles interagem com a matéria comum, para que modelos viáveis possam ser identificados de forma clara".

"O quão interessantes são estes modelos depende do gosto de cada um", afirmou Kaplinghat, " mas não se pode argumentar contra a motivação por trás disso, que é o fato de que sabemos muito pouco sobre a natureza da matéria escura".

Tradução: Thiago "Índio" Silva

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