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O otimismo tolo de pensar que a matéria escura está prestes a ser detectada

O halo de matéria escura ao redor de nossa galáxia deve exibir diferentes probabilidades de interação à medida que a Terra orbita o Sol, variando nosso movimento através da matéria escura em nossa galáxia. Crédito da imagem: ESO / L. Calçada.

Só porque sabemos que é real não significa que seja fácil de criar em um laboratório.

Para mim, a melhor resposta não está em palavras, mas em medidas. – Elena Aprile

Átomos, moléculas, seres humanos, a Terra, o Sol, estrelas, galáxias, gás, poeira e plasma no Universo têm algo em comum: todos são feitos das mesmas partículas fundamentais. No entanto, se você quebrar tudo o que sabemos, vemos e percebemos em seus menores constituintes, você só pode explicar cerca de 15% da massa total do Universo. Sem emitir ou absorver luz, 85% do Universo é misterioso, visível apenas através de seus efeitos gravitacionais sobre a matéria luminosa e interativa que conhecemos. Essa matéria escura tem um conjunto esmagador de evidências astrofísicas, mas ver algo de longe não é o mesmo que criá-lo, detectá-lo e analisá-lo em um laboratório para nós mesmos. Apesar do fato de que existem muitos experimentos em busca de matéria escura, seria necessário um nível tolo de otimismo para esperar que qualquer um deles fosse bem-sucedido em breve.

A dispersão de matéria escura/núcleo produziria um sinal específico, mas existem muitas contribuições mundanas de fundo que poderiam dar um resultado semelhante. Isso aparecerá em detectores de germânio, xenônio líquido e argônio líquido. Crédito da imagem: Dark Matter Visão geral: Collider, pesquisas de detecção direta e indireta — Queiroz, Farinaldo S. arXiv:1605.08788 [hep-ph].

• Criação direta de partículas de matéria escura por meio de colisões de alta energia, como no Grande Colisor de Hádrons. A falta de energia e impulso, distinta da assinatura de neutrinos, seria um sinal infalível de matéria escura.
• Experimentos procurando por um sinal revelador de aniquilações de partículas de matéria escura com outras partículas de matéria escura, onde são produzidos fótons de uma energia específica correspondente a nenhuma partícula fundamental conhecida.
• Experimentos de recuo nuclear, onde partículas de matéria escura colidem com núcleos atômicos, produzindo uma combinação única de energia adicional e assinaturas de momento que são transmitidas aos núcleos.
• E experimentos de ressonância eletromagnética, onde fótons em uma cavidade eletromagnética podem ser persuadidos a se interconverter ou colidir com partículas de matéria escura.

A configuração criogênica de um dos experimentos que procura explorar as interações hipotéticas entre matéria escura e eletromagnetismo. Crédito da imagem: Axion Dark Matter Experiment (ADMX), flickr do LLNL.

Muitos cientistas estão realizando esses experimentos e esperando pelo sucesso, como deveriam. Mas aqueles que prevêem o sucesso estão se iludindo com desejos.

A evidência observacional da matéria escura indica que existem partículas massivas em movimento lento em todo o Universo, superando a matéria normal em uma proporção de 5: 1. A evidência aparece em como as galáxias se aglomeram, nas flutuações na radiação remanescente do Big Bang, como as galáxias individuais se movem e giram, como a estrutura em grande escala do Universo se forma e como os aglomerados de galáxias colidem.

Quatro aglomerados de galáxias em colisão, mostrando a separação entre os raios X (rosa) e a gravitação (azul), indicativo de matéria escura. Crédito das imagens: Raio-X: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Óptico/Lente: CFHT/UVic./A. Mahdavi et ai. (superior esquerdo); Raio X: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al.; Óptico: NASA/STScI/UCDavis/W.Dawson et al. (canto superior direito); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milão, Itália)/CFHTLS (canto inferior esquerdo); Raio-X: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universidade da Califórnia, Santa Bárbara) e S. Allen (Universidade de Stanford) (canto inferior direito).

O evidência para a existência da matéria escura é esmagadora ; ou existe matéria escura ou uma enorme quantidade de fenômenos gravitacionais são fundamentalmente mal compreendidos e precisam de uma revisão teórica. Mas de todas as maneiras diretas, as observações indicam que a matéria escura é invisível. Ele não parece interagir consigo mesmo, com a luz, com a matéria normal ou com qualquer uma das partículas conhecidas e descobertas. Exceto, isto é, através da força gravitacional.

As partículas e forças do Modelo Padrão. A matéria escura não é comprovada para interagir através de qualquer um deles, exceto gravitacionalmente. Crédito da imagem: Projeto de Educação Física Contemporânea / DOE / NSF / LBNL, via http://cpepweb.org/ .

E é aí que reside a dificuldade inerente. Todos os métodos de detecção propostos dependem de outro tipo de interação não gravitacional para a matéria escura, que não tem evidências que sugiram que exista. Claro, pode-se argumentar, não há evidências disso hoje, mas em algum momento no passado distante, deve ter havido outra interação para criar a matéria escura em primeiro lugar. E isso é verdade, mas não lhe diz:

1. Qual foi a interação.
2. Quais escalas de energia são necessárias para criar a interação.
3. Se a interação resulta em um acoplamento à matéria normal (ou qualquer coisa no Modelo Padrão).
4. Ou, mais importante, se algum dos experimentos que procuram matéria escura hoje está no caminho certo para detectá-la.

As partículas do Modelo Padrão e suas contrapartes supersimétricas. Exatamente 50% dessas partículas (os 50% não supersimétricos) foram descobertos e 50% nunca mostraram um traço de sua existência. Crédito da imagem: Claire David, de http://davidc.web.cern.ch/davidc/index.php?id=research .

O fato é que a maioria dos experimentos – CDMS, Edelweiss, LUX, Xenon e outros – está contando com um modelo muito particular: que a matéria escura é uma partícula pesada, semelhante ao neutralino, conhecida como WIMP. Eles assumem que ele interage com a matéria normal através da interação nuclear fraca. Eles assumem que a partícula terá uma massa em algum lugar na estimativa da massa do quark top. E eles assumem tudo isso sem um fragmento de evidência experimental ou observacional . A única evidência direta para a matéria escura vem de experimentos como DAMA/LIBRA e CoGENT, e mesmo isso é pelo menos tão provável que seja uma fonte mundana de um sinal não identificado — como nêutrons – como é ser matéria escura.

Hall B de LNGS com instalações XENON, com o detector instalado dentro do grande escudo de água. Crédito da imagem: INF.

Claro que seria fenomenal, inovador e revolucionário se detectássemos diretamente a matéria escura. Há todos os motivos para realizar esses experimentos, fazer essas pesquisas, procurar essas assinaturas e tentar entender melhor o Universo. Mas a ideia de que estamos à beira de detectar diretamente a matéria escura é infundada. Além disso, há aqueles que afirmam que o fracasso desses experimentos em revelar matéria escura significa que ela não deve existir; essa conclusão é igualmente infundada. A evidência indireta para a matéria escura – a partir de observações astrofísicas – permanece esmagadora, mas a evidência direta é fraca na melhor das hipóteses e inexistente na pior.

Limites na seção transversal de recuo de matéria escura/núcleo, incluindo a sensibilidade prevista projetada de XENON1T. Crédito da imagem: Ethan Brown da RPI, via http://ignatz.phys.rpi.edu/site/index.php/the-experiment/ .

Só conhecemos as propriedades gravitacionais da matéria escura. Para todo o resto, tudo o que temos são limites. Mesmo enquanto continuamos a reduzir esses limites cada vez mais, não há garantia de que chegaremos a uma detecção bem-sucedida. Podemos estar procurando de maneira infrutífera. No entanto, tudo o que podemos fazer é continuar a procurar e esperar por uma descoberta. Na ausência de uma motivação teórica melhor, esses experimentos são o melhor que podemos fazer.

Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !

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