Neutrinos destros poderiam resolver o quebra-cabeça da matéria escura?
Crédito da imagem: E. Siegel, de seu novo livro, Além da Galáxia.
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Oito anos-luz sólidos de chumbo... é a espessura daquele metal no qual você precisaria se envolver se quisesse evitar ser tocado por neutrinos. – Michael Chabon
O Modelo Padrão de partículas elementares está completo. Cada partícula prevista dentro dele:
- os seis quarks e antiquarks em três cores diferentes cada,
- os três léptons carregados (elétron, múon e tau) e seus neutrinos correspondentes,
- as seis contrapartes anti-leptônicas,
- e os oito glúons, três bósons fracos pesados (W+, W- e Z), o fóton e o bóson de Higgs,
já foi detectado diretamente. Mas, apesar do sucesso do Modelo Padrão e do sucesso esmagador da física de partículas experimental, existem mistérios do Universo que ainda não foram resolvidos, e dois deles podem estar relacionados.
Um deles é a matéria escura. Toda a matéria conhecida no Universo – a radiação de fótons, a matéria normal de quarks, glúons e elétrons, e um pouquinho de matéria escura quente de neutrinos – vem do Modelo Padrão. Mas se você somar tudo isso e executar uma simulação do que obteria, você não obter um Universo como o nosso. Em vez disso, você obteria um onde a formação de galáxias é suprimida, onde a formação de estrelas separa galáxias jovens, onde elementos pesados são lançados no espaço intergaláctico e nunca formam planetas rochosos e onde a estrutura em grande escala do Universo parece muito diferente.
Crédito de imagem: Chris Blake e Sam Moorfield, via http://www.sdss3.org/surveys/boss.php .
Para obter o Universo que vemos e conhecemos hoje, inclusive para dar a você:
- as flutuações observadas no fundo cósmico de microondas,
- as características de agrupamento de pequenas e grandes escalas de galáxias,
- os perfis de rotação de galáxias espirais e elípticas,
- os efeitos de lentes gravitacionais de aglomerados de galáxias, juntamente com muitas outras observações,
você precisa de um tipo extra de matéria além do que o Modelo Padrão prevê: algum tipo de matéria escura . Esta matéria escura deve ser cerca de cinco vezes mais abundante do que todas as coisas normais (Modelo Padrão) combinado , Que tem de ser maciço, que tem a aglutinar-se e agrupam, e tem que ser movendo-se lentamente em comparação com a velocidade da luz. Todos os tipos de evidências indiretas existe para a matéria escura, mas nunca detectadas diretamente. A fim de descobrir o que sua natureza realmente é, nós vamos ter que fazer isso.
Crédito da imagem: Hitoshi Murayama de http://hitoshi.berkeley.edu/ .
Um segundo mistério são as massas de neutrinos. Todas as outras partículas no Modelo Padrão são completamente sem massa (como o fóton ou o glúon), ou têm uma massa substancial que cai em algum lugar dentro de uma faixa relativamente grande, mas bem definida. A partícula mais leve, o elétron, tem cerca de 511.000 elétron-volts em massa, enquanto a mais pesada, o quark top, tem cerca de 175.000.000.000 eV. Isso pode parecer um grande intervalo, mas um fator de menos de 400.000 para cobrir todo as partículas é um bom negócio.
Durante muito tempo, o neutrino foi pensado para ser sem massa também. Mas experiências recentes descobriram que todos os três tipos - o elétron, o MU eo tau - todos têm muito pequenas, mas massas diferentes de zero, pesando em algum lugar ao redor do Nacional -faixa de elétron-Volt, ou pelo menos um fator de dez milhões de vezes mais leve que o elétron!
Crédito da imagem: Hamish Robertson, no Carolina Symposium 2008, via http://slideplayer.com/slide/6935911/ .
Para partículas que foram previstas como sem massa, isso é um problema! Por que eles não apenas teriam massa, mas por que suas massas seriam tão notavelmente pequenas? Uma das principais ideias - apresentada pela primeira vez por vários cientistas no final da década de 1970 - é que as massas de neutrinos poderia funcionar como uma gangorra ! Veja bem, os neutrinos que vemos são todos canhotos, o que significa que, se você se orientar na direção do movimento, todos são vistos girando da mesma maneira. Da mesma forma, todos os anti-neutrinos são destros.
Mas se você assumir que há uma escala de massa muito grande na natureza, como uma grande escala de unificação, então os neutrinos (ambos esquerdos) e destro) poderia ter uma massa normal como as outras partículas do Modelo Padrão, onde elas eram meio que equilibradas em uma gangorra. Mas então essa massa pesada vem, fica em um lado da gangorra e os divide: os neutrinos canhotos se tornam muito leves, enquanto os neutrinos destros se tornam extremamente pesados.
Crédito da imagem: imagem de domínio público, modificada por E. Siegel.
Esta é a principal explicação para quão neutrinos oscilam, e também como eles adquirem massas tão pequenas (mas diferentes de zero). Mas em vez de hipotetizar supersimetria, dimensões extras, áxions ou alguma outra solução exótica para a matéria escura, aqui está uma possibilidade divertida: os neutrinos destros e ultrapesados pode ser a matéria escura ! Em vez de estarem na mesma faixa que as massas de neutrinos (como axions) ou na mesma faixa que as outras partículas do Modelo Padrão (como em SUSY ou dimensões extras), elas podem ser superpesadas: bilhões ou até trilhões de vezes mais pesadas que as outras partículas do Modelo Padrão. Esta nova classe de candidatos à matéria escura tem um nome fantástico (cunhado por Rocky Kolb ): WIMPzillas!
Crédito da imagem: Kolb, Chung e Riotto de 1998, via http://arxiv.org/pdf/hep-ph/9810361v1.pdf .
O que é notável sobre essa possibilidade é que ela vem de física já conhecidos , e explica um problema - massas de neutrinos - que não tem outra explicação alternativa conhecida. Na física teórica, um dos grandes motivadores para qualquer problema não resolvido é uma possível solução para um problema não resolvido completamente diferente, e as WIMPzillas são uma possibilidade subestimada para a matéria escura. Se for verdade, eles poderiam explicar tudo o que está faltando no Universo – toda a massa que falta – e nos dar as galáxias, aglomerados e estruturas de grande e pequena escala que vemos hoje.
Crédito da imagem: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee e P. Oesch, Universidade da Califórnia, Santa Cruz; R. Bouwens, Universidade de Leiden; e a Equipe HUDF09.
Na busca pela matéria escura, é importante não apenas pensar pequeno, mas também pensar muito, muito grande!
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes . Deixe seus comentários em nosso fórum , confira nosso primeiro livro: Além da Galáxia , e apoie nossa campanha no Patreon !
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