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Pergunte a Ethan: É absurdo pensar que a matéria escura pode ser feita de hexaquarks, certo?

Um hexaquark é uma partícula feita de seis quarks. Ao contrário de uma partícula como um deutério, que é um próton e um nêutron unidos, é possível ter um estado especial de “dibárion” que é ainda menor que um único próton em raio. (LINFOXMAN / WIKIMEDIA COMMONS)

Você teria que jogar fora muita física conhecida para que isso fosse uma possibilidade. Aqui está o porquê.

É um fato científico inegável que a matéria escura deve existir para explicar todo o conjunto de observações que temos sobre o Universo. Apesar de tudo o que sabemos sobre isso, no entanto, ainda temos que identificar quais partículas realmente o compõem . Todos os experimentos de detecção direta que já inventamos saíram vazios. Embora uma infinidade de candidatos à matéria escura tenha sido proposta, não há evidências robustas em apoio a nenhum deles. Uma nova ideia está fazendo ondas este mês como um candidato à matéria escura: um tipo específico de partícula conhecido como hexaquark. Este é um candidato viável à matéria escura? O apoiador do Patreon, BenHead, quer saber, Perguntando :

Muitas manchetes científicas [estão] me dizendo que a matéria escura pode ser um condensado de Bose-Einstein de hexaquarks d*. Único problema que vejo? Quando detectados nocionalmente, os hexaquarks d* viveram por 10^-23 segundos. Qual é a sua opinião?

É uma ideia inteligente que quase certamente está errada. Aqui está o porquê.

Um átomo de hélio, com o núcleo em escala aproximada. A descoberta de que os átomos tinham um núcleo composto por dois tipos diferentes de partículas foi uma surpresa para muitos, mas abriu o caminho para nossa compreensão moderna da física nuclear. (USUÁRIO YZMO DO WIKIMEDIA COMMONS)

Quando começamos a mergulhar no núcleo atômico, começamos a perceber uma série de propriedades que pareciam estranhas na época. Aqui estão alguns fatos de interesse.

• Todos os núcleos atômicos são compostos de dois tipos de partículas: prótons e nêutrons.
• Um nêutron era ligeiramente mais pesado que um próton: cerca de 0,1%.
• Os prótons livres são estáveis ​​para todo o sempre.
• Os nêutrons livres são instáveis ​​e decairão com um tempo de vida médio de cerca de 15 minutos.
• Se você ligar prótons e nêutrons juntos, a massa total do novo núcleo será menor que a massa dos prótons e nêutrons individuais.
• E se você os unir em combinações específicas, alguns núcleos atômicos são estáveis, enquanto outros decairão.

Uma possibilidade para esse decaimento (conhecido como decaimento beta) é simplesmente ter um dos nêutrons no decaimento do núcleo, convertendo-se em um próton, um elétron e um neutrino anti-elétron.

Ilustração esquemática do decaimento beta nuclear em um núcleo atômico maciço. O decaimento beta é um decaimento que prossegue através das interações fracas, convertendo um nêutron em um próton, elétron e um neutrino anti-elétron. Antes que o neutrino fosse conhecido ou detectado, parecia que tanto a energia quanto o momento não eram conservados nos decaimentos beta. (WIKIMEDIA COMMONS USER INDUCTIVELOAD)

Houve uma lição valiosa que se tornou imediatamente aparente: algumas partículas (como o nêutron) que são instáveis ​​quando não estão ligadas a mais nada podem de repente se tornar estáveis ​​em um estado ligado. Os nêutrons livres podem não ser estáveis, mas os nêutrons que estão ligados nos núcleos do hélio ao ferro para o chumbo serão estáveis ​​por uma quantidade infinita de tempo, até onde podemos dizer.

O motivo dessa estabilidade? É a quantidade de energia de ligação (por nucleon, neste caso) em comparação com a diferença de massa/energia entre a partícula-mãe (o nêutron) e as partículas filhas (próton, elétron e neutrino anti-elétron) em que ele decairia. Se um sistema estiver ligado o suficiente, é possível que mesmo uma coleção feita inteiramente de partículas instáveis ​​possa ser estável. O exemplo clássico é uma estrela de nêutrons. Mesmo que os 90% internos do objeto sejam inteiramente feitos de nêutrons, a ligação gravitacional e nuclear combinada dessas partículas torna todo o sistema estável.

As erupções de maior energia provenientes de estrelas de nêutrons com campos magnéticos extremamente fortes, os magnetares, são provavelmente responsáveis ​​por algumas das partículas de raios cósmicos de maior energia já observadas. Uma estrela de nêutrons como essa pode ter algo como o dobro da massa do nosso Sol, mas comprimida em um volume comparável ao da ilha de Maui. Os 90% internos de um objeto como esse podem ser tratados como um único núcleo atômico composto inteiramente de nêutrons. (CENTRO DE VÔO ESPACIAL GODDARD DA NASA/S. WIESSINGER)

Uma vez que entendemos o que era a energia de ligação e como ela funcionava, uma ideia brilhante foi proposta para explicar o zoológico de partículas que estavam começando a sair dos colisores de partículas. Além do próton e do nêutron, uma versão mais pesada e instável deles – a partícula Lambda (Λ⁰) – também foi encontrada. Mas o mesmo aconteceu com uma série de outras partículas: 3 variedades de pion, 4 variedades de kaon, os mésons rho, eta, eta prime e phi, etc.

Em 1956, anos antes de alguém pensar em quarks, Shoichi Sakata teve uma ideia brilhante: talvez todas essas novas partículas fossem simplesmente compostos das três partículas fundamentais que conhecíamos:

• o próton,
• o nêutron,
• e o Λ⁰.

Embora muitas das partículas compostas (como os píons) fossem mais leves do que prótons, nêutrons ou partículas Λ⁰ individuais, talvez a energia de ligação pudesse explicar isso. O Modelo Sakata , apesar de seu brilho, foi descartado por experimentos de espalhamento inelástico profundo que provaram a realidade de quarks e glúons.

Quando você colide duas partículas, você sonda a estrutura interna das partículas colidindo. Se um deles não é fundamental, mas sim uma partícula composta, esses experimentos podem revelar sua estrutura interna. Aqui, um experimento é projetado para medir o sinal de dispersão de matéria escura/núcleo; experimentos de espalhamento inelástico profundo continuam até os dias atuais. (VISÃO GERAL DA MATÉRIA ESCURA: PESQUISAS DE DETECÇÃO DIRETA E INDIRETA DE COLLIDER — QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV:1605.08788)

No entanto, a ideia sobrevive: partículas compostas instáveis, se unidas nas condições certas, podem se tornar estáveis. Agora que sabemos que quarks (e anti-quarks) existem, isso traz uma nova possibilidade teórica de ter não apenas partículas como prótons sendo estáveis, mas também outras combinações. Afinal, agora descobrimos partículas como:

• bárions (como prótons, nêutrons e o Λ⁰, feito de 3 quarks cada),
• anti-bárions (feitos de 3 antiquarks),
• mésons (feitos de uma combinação quark-antiquark),
• tetraquarks (feitos de 2 quarks e 2 antiquarks cada),
• pentaquarks (feitos de 4 quarks e 1 antiquark),
• e até hexaquarks (feitos de 6 quarks).

Em 2014, um hexaquark particularmente interessante conhecido como d* foi descoberto , feito de três quarks up e três down (como um deutério), mas com uma massa mais pesada.

Os estados tetraquark, pentaquark e hexaquark (dibaryon) foram todos observados, compostos de uma combinação não convencional de quarks e antiquarks em comparação com os bárions e mésons mais simples. (MIKHAIL BASHKANOV)

Existem todos os tipos de partículas que foram descobertas anteriormente que são análogas a isso. Os mésons rho, por exemplo, têm uma massa de ~775 MeV/c², decaindo em píons (com a mesma composição quark-antiquark, mas menos de 20% da massa) após cerca de 10^-23 segundos. Os bárions delta são todos feitos exclusivamente de quarks up e down, mas com uma massa de 1232 MeV/c²: cerca de 300 MeV/c² mais pesado que prótons e nêutrons, nos quais eles decaem após cerca de 10^-23 segundos.

Agora, um deutério padrão é um próton e um nêutron unidos, com uma massa total de 1875,6 MeV/c²: 2,2 MeV/c² mais leve que um nêutron e um próton individualmente. Mas o d* hexaquark, um estado excitado do deutério, tem uma massa de 2380 MeV/c². Sua vida útil? Quase o mesmo que os outros: 10^-23 segundos. Depois de tanto tempo, ele decai através da interação nuclear forte para um deutério regular e dois píons.

As diferentes configurações possíveis (topo) dos quarks em uma partícula d*, juntamente com seus decaimentos. Observe que o caso do meio, que é mostrado como decaindo para duas partículas Delta, é o mesmo que decai para um estado com um dêuteron (um próton e um nêutron), bem como dois píons, ambos neutros ou um positivo e um negativo. (F. HUANG ET AL., CHIN. PHYS. C39 (2015) 7, 071001)

Até agora tudo bem. Esta é apenas a física nuclear e de partículas padrão, sem surpresas. A matéria escura, em contraste com partículas como o nêutron, deve ser estável por pelo menos centenas de bilhões de anos , então ela absolutamente não pode decair em escalas de tempo típicas em que a partícula d* decai. No entanto, é plausível que, se produzirmos partículas d* suficientes no Universo primitivo, elas possam se unir em número suficiente para criar um estado de matéria semelhante a uma estrela de nêutrons em miniatura: onde a energia de ligação entre as partículas d* a impede de decadente.

Essa é a ideia por trás de um novo artigo: Uma nova possibilidade para a matéria escura de quarks claros , por M. Bashkanov e D.P. Watts . Eles combinam algumas realizações interessantes:

• que estados ligados de seis quarks atuam como um bóson, em vez de um férmion,
• que o tamanho físico do d* deve ser pequeno, talvez até menor que um próton,
• e que no estado denso do Universo primitivo, particularmente se outras conjecturas estiverem corretas , um grande número de partículas d* não será apenas criado, mas poderá se condensar no mesmo local para formar um estado condensado de Bose-Einstein.

A produção primordial de d*(2380) na forma de um condensado de Bose-Einstein é calculada em função da energia de ligação por bárion (eixo y) juntamente com a temperatura na qual essas partículas devem se desacoplar da interação com o Universo maior. Apenas o canto vermelho estreito daria a proporção de matéria escura que observamos. (M. BASHKANOV E D.P. WATTS (2020), REVISTA DE FÍSICA G: FÍSICA NUCLEAR E DE PARTÍCULAS, VOLUME 47, NÚMERO 3)

Se todas essas coisas ocorrerem, e se a energia de ligação for grande o suficiente (ela precisa ser cerca de 10% da massa total de repouso de cada d*, em média), ele proibirá o decaimento padrão do d* em questões de energia , da mesma forma que o decaimento de nêutrons (beta) é proibido no deutério normal. Vou dar o seguinte: é uma ideia inteligente e que poderia ser testada em colisores de íons pesados ​​se as condições certas puderem ser criadas.

Mas mesmo que tudo o que os autores afirmam seja verdade – mesmo que quarks e anti-quarks estejam de alguma forma separados e um grande número de partículas d* se forme quando o Universo tiver ~ 1 microssegundo de idade após o Big Bang quente – é improvável que essas partículas d* sobrevivam por uma razão principal: o Universo é dominado pela radiação nestes estágios iniciais. Existem partículas em movimento rápido suficientes com energia cinética suficiente para colidir constantemente com essas partículas d* e, quando isso acontece, essas colisões as separam imediatamente.

No início do Universo, é muito fácil para um próton livre e um nêutron livre formar deutério. Mas enquanto as energias são altas o suficiente, os fótons virão e explodirão esses deutérios, dissociando-os de volta em prótons e nêutrons individuais. Para um deutério normal, isso acontecerá até que o Universo tenha cerca de 3 a 4 minutos. Para uma partícula d*, isso ocorrerá até a conclusão quando o Universo tiver microssegundos a milissegundos de idade. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Este é um desafio para todas as partículas compostas no Universo primitivo. É por isso que não há deutério (normal) até que o Universo tenha ~ 3 minutos: porque a radiação explode qualquer partícula de deutério em um instante. É por isso que os átomos neutros não podem se formar até que o Universo tenha ~ 380.000 anos: a radiação os separa se eles se formarem anteriormente. Para partículas ad* formadas quando o Universo tem microssegundos de idade, o mesmo problema surge sem solução: a radiação as destruirá, mesmo que elas já tenham formado um condensado de Bose-Einstein, pois há muitos fótons e neutrinos que excedem o limiar de energia crítica.

Não é suficiente simplesmente olhar para QCD e a força forte e concluir que um estado exótico da matéria pode ser estável sob algumas condições especiais; fizemos isso para estados de 6 quarks já em 1977 . Precisamos superar um obstáculo mais alto e garantir que possamos criar quantidades realistas dessas partículas, evitando sua destruição em nosso universo real. Com base no que sabemos atualmente, não temos como fazer isso ocorrer.

O nêutron, formado por um quark up e dois quarks down, é um dos mais importantes constituintes compostos da matéria em nosso Universo. Mas a ideia de que poderíamos transformar um estado excitado altamente instável, a partícula d* (2380), em um estado estável por meio de energia de ligação, não é algo que os experimentos suportam neste momento. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO QASHQAIILOVE)

Vale ressaltar que essa é uma ideia inteligente e que não é descartada pelas razões convencionais que você pode pensar. Normalmente, a matéria escura não pode ser matéria normal (feita de partículas do Modelo Padrão) porque sabemos quanta matéria normal deve ter estado presente durante os estágios iniciais do Universo, quando os elementos leves foram formados: durante a nucleossíntese. Mas esse cenário pelo menos evita esse limite, bloqueando essa matéria normal durante um estágio de pré-nucleossíntese, permitindo que os elementos de luz sejam criados sem interferência dessa forma escura de matéria normal.

No entanto, mesmo que seja possível criar um condensado d* como propõem os autores, ele não pode sobreviver à intensa radiação do Universo primitivo. Uma vez que eles são detonados, não há como criar mais partículas d* capazes de formar um condensado de Bose-Einstein, pois as condições que admitem sua criação terão passado. É uma ideia inteligente, mas não precisamos esperar que os colisores a descartem. O Universo primitivo como o entendemos já é suficiente para esmagar a ideia de que d* hexaquarks podem compor a matéria escura do nosso Universo.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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