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Quanto da matéria escura poderiam ser os neutrinos?

Enquanto a teia de matéria escura (roxo) pode parecer determinar a formação da estrutura cósmica por conta própria, o feedback da matéria normal (vermelho) pode impactar severamente as escalas galácticas. Tanto a matéria escura quanto a matéria normal, nas proporções corretas, são necessárias para explicar o Universo como o observamos. Os neutrinos são onipresentes, mas os neutrinos leves padrão não podem representar a maior parte (ou mesmo uma fração significativa) da matéria escura. (COLABORAÇÃO DISTINTA / SIMULAÇÃO FAMOSA)

Eles são as únicas partículas do Modelo Padrão que se comportam como a matéria escura deveria. Mas eles não podem ser a história completa.

Em todo o Universo, há mais do que somos capazes de ver. Quando olhamos para as estrelas se movendo dentro das galáxias, as galáxias se movendo dentro de grupos e aglomerados, ou as maiores estruturas de todas que compõem a teia cósmica, tudo conta a mesma história desconcertante: não vemos matéria suficiente para explicar o efeitos gravitacionais que ocorrem. Além das estrelas, gás, plasma, poeira, buracos negros e muito mais, deve haver algo mais causando um efeito gravitacional adicional.

Tradicionalmente, chamamos isso de matéria escura e absolutamente exigimos que ela explique todo o conjunto de observações em todo o Universo. Embora não possa ser feito de matéria normal – coisas feitas de prótons, nêutrons e elétrons – temos uma partícula conhecida que pode ter o comportamento correto: neutrinos. Vamos descobrir quanto dos neutrinos da matéria escura poderiam ser.

O neutrino foi proposto pela primeira vez em 1930, mas não foi detectado até 1956, a partir de reatores nucleares. Nos anos e décadas seguintes, detectamos neutrinos do Sol, de raios cósmicos e até de supernovas. Aqui, vemos a construção do tanque usado no experimento de neutrinos solares na mina de ouro Homestake da década de 1960. (LABORATÓRIO NACIONAL DE BROOKHAVEN)

À primeira vista, os neutrinos são o candidato perfeito para a matéria escura. Eles mal interagem com a matéria normal e não absorvem nem emitem luz, o que significa que não vão gerar um sinal observável capaz de ser captado por telescópios. Ao mesmo tempo, porque eles interagem através da força fraca, é inevitável que o Universo tenha criado um grande número deles nos estágios extremamente iniciais e quentes do Big Bang.

Sabemos que há fótons remanescentes do Big Bang e, muito recentemente, também detectamos evidências indiretas que há neutrinos sobrando também . Ao contrário dos fótons, que não têm massa, é possível que os neutrinos tenham uma massa diferente de zero. Se eles tiverem o valor correto para sua massa com base no número total de neutrinos (e antineutrinos) que existem, eles poderiam representar 100% da matéria escura.

As observações em maior escala no Universo, desde o fundo cósmico de micro-ondas até a teia cósmica, aglomerados de galáxias e galáxias individuais, todas requerem matéria escura para explicar o que observamos. A estrutura em grande escala exige isso, mas as sementes dessa estrutura, do Fundo Cósmico de Microondas, também exigem. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)

Então, quantos neutrinos existem? Isso depende do número de tipos (ou espécies) de neutrino.

Embora possamos detectar neutrinos diretamente usando enormes tanques de material projetados para capturar suas raras interações com a matéria, isso é incrivelmente ineficiente e só vai capturar uma pequena fração deles. Podemos ver neutrinos que são o resultado de aceleradores de partículas, reatores nucleares, reações de fusão no Sol e raios cósmicos interagindo com nosso planeta e atmosfera. Podemos medir suas propriedades, incluindo como eles se transformam um no outro, mas não o número total de tipos de neutrinos.

Nesta ilustração, um neutrino interagiu com uma molécula de gelo, produzindo uma partícula secundária – um múon – que se move a uma velocidade relativística no gelo, deixando um rastro de luz azul atrás dele. A detecção direta de neutrinos tem sido um esforço hercúleo, mas bem-sucedido, e ainda estamos tentando decifrar o conjunto completo de sua natureza. (NICOLLE R. FULLER/NSF/ICECUBE)

Mas há uma maneira de fazer a medição crítica da física de partículas, e ela vem de um lugar bastante inesperado: o decaimento do bóson Z. O bóson Z é o bóson neutro que medeia a interação fraca, permitindo certos tipos de decaimentos fracos. O Z se acopla a quarks e léptons, e sempre que você produz um em um experimento de colisor, há uma chance de que ele simplesmente decaia em dois neutrinos.

Esses neutrinos vão ficar invisíveis! Normalmente, não podemos detectar os neutrinos que criamos a partir de decaimentos de partículas em colisores, pois seria necessário um detector com a densidade de uma estrela de nêutrons para capturá-los. Mas medindo qual porcentagem dos decaimentos produz sinais invisíveis, podemos inferir quantos tipos de neutrinos de luz (cuja massa é menor que a metade da massa do bóson Z) existem. É um resultado espetacular e inequívoco conhecido há décadas: são três.

Este diagrama exibe a estrutura do Modelo Padrão, ilustrando os principais relacionamentos e padrões. Em particular, este diagrama mostra todas as partículas no Modelo Padrão, o papel do bóson de Higgs e a estrutura da quebra de simetria eletrofraca, indicando como o valor esperado do vácuo de Higgs quebra a simetria eletrofraca e como as propriedades das partículas restantes mudam. como consequência. Observe que o bóson Z se acopla tanto a quarks quanto a léptons e pode decair através de canais de neutrinos . (LATHAM BOYLE E MARDUS DO WIKIMEDIA COMMONS)

Voltando à matéria escura, podemos calcular, com base em todos os diferentes sinais que vemos, quanta matéria escura extra é necessária para nos dar a quantidade certa de gravitação. De todas as maneiras que sabemos olhar, incluindo:

• da colisão de aglomerados de galáxias,
• de galáxias que se movem dentro de aglomerados emissores de raios-X,
• das flutuações no fundo cósmico de microondas,
• dos padrões encontrados na estrutura em grande escala do Universo,
• e dos movimentos internos de estrelas e gás dentro de galáxias individuais,

descobrimos que precisamos de cerca de cinco vezes a abundância de matéria normal para existir na forma de matéria escura. É um grande sucesso da matéria escura para a cosmologia moderna que apenas adicionando um ingrediente para resolver um quebra-cabeça, uma enorme quantidade de outros quebra-cabeças observacionais também são resolvidos.

Quatro aglomerados de galáxias em colisão, mostrando a separação entre os raios X (rosa) e a gravitação (azul), indicativo de matéria escura. Em grandes escalas, a matéria escura fria é necessária, e nenhuma alternativa ou substituto servirá. (RAIO-X: NASA/CXC/UVIC./A.MAHDAVI ET AL. ÓPTICO/LENSING: CFHT/UVIC./A. MAHDAVI ET AL. (CIMA ESQUERDA); RAIO-X: NASA/CXC/UCDAVIS/W. DAWSON ET AL.; ÓPTICO: NASA/ STSCI/UCDAVIS/ W.DAWSON ET AL. (TOP DIREITO); ESA/XMM-NEWTON/F. GASTALDELLO (INAF/ IASF, MILÃO, ITÁLIA)/CFHTLS (BAIXO ESQUERDO); X -RAY: NASA, ESA, CXC, M. BRADAC (UNIVERSIDADE DA CALIFÓRNIA, SANTA BARBARA), E S. ALLEN (UNIVERSIDADE DE STANFORD) (CAIXA DIREITA))

Se você tiver três espécies de neutrinos leves, seria necessária apenas uma quantidade relativamente pequena de massa para explicar toda a matéria escura: alguns elétron-volts (cerca de 3 ou 4 eV) por neutrino fariam isso. A partícula mais leve encontrada no Modelo Padrão além do neutrino é o elétron, e que tem uma massa de cerca de 511 keV, ou centenas de milhares de vezes a massa do neutrino que queremos.

Infelizmente, existem dois grandes problemas em ter neutrinos leves tão massivos. Quando olhamos em detalhes, a ideia de neutrinos massivos é insuficiente para compor 100% da matéria escura.

Um quasar distante terá um grande solavanco (à direita) vindo da transição da série Lyman em seus átomos de hidrogênio. À esquerda, aparece uma série de linhas conhecidas como floresta. Esses mergulhos são devidos à absorção de nuvens de gás intervenientes, e o fato de que os mergulhos têm os pontos fortes que impõem restrições à temperatura da matéria escura. Não pode ser quente. (M. RAUCH, ARAA V. 36, 1, 267 (1998))

O primeiro problema é que os neutrinos, se forem a matéria escura, seriam uma forma de matéria escura quente. Você pode ter ouvido a frase matéria escura fria antes, e o que isso significa é que a matéria escura deve estar se movendo lentamente em comparação com a velocidade da luz nos primeiros tempos.

Por quê?

Se a matéria escura fosse quente e se movesse rapidamente, impediria o crescimento gravitacional da estrutura em pequena escala ao fluir facilmente para fora dela. O fato de formarmos estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias tão cedo descarta isso. O fato de vermos os sinais fracos de lentes que fazemos exclui isso. O fato de vermos o padrão de flutuações no fundo cósmico de micro-ondas exclui isso. E medições diretas de nuvens de gás no Universo primitivo, por meio de uma técnica conhecida como floresta Lyman-α, descartam isso definitivamente. A matéria escura não pode ser quente.

As estruturas de matéria escura que se formam no Universo (esquerda) e as estruturas galácticas visíveis que resultam (direita) são mostradas de cima para baixo em um Universo de matéria escura frio, quente e quente. Das observações que temos, pelo menos 98%+ da matéria escura deve ser fria. (ITP, UNIVERSIDADE DE ZURIQUE)

Várias colaborações mediram as oscilações de uma espécie de neutrinos para outra, e isso nos permite inferir as diferenças de massa entre os diferentes tipos. Desde a década de 1990, conseguimos inferir que a diferença de massa entre duas espécies é da ordem de cerca de 0,05 eV, e a diferença de massa entre duas espécies diferentes é de aproximadamente 0,009 eV. Restrições diretas sobre a massa do neutrino do elétron vêm de experimentos de decaimento do trítio e mostram que o neutrino do elétron deve ser menos massivo do que cerca de 2 eV.

Um evento de neutrinos, identificável pelos anéis de radiação de Cerenkov que aparecem ao longo dos tubos fotomultiplicadores que revestem as paredes do detector, mostra a metodologia bem-sucedida da astronomia de neutrinos. Esta imagem mostra vários eventos e faz parte do conjunto de experimentos que abre caminho para uma maior compreensão dos neutrinos. (COLABORAÇÃO SUPER KAMIOKANDE)

Além disso, o fundo cósmico de micro-ondas (do Planck) e os dados de estrutura em larga escala (do Sloan Digital Sky Survey) nos dizem que a soma de todas as massas de neutrinos é no máximo aproximadamente 0,1 eV, pois muita matéria escura quente seria afetar definitivamente esses sinais. A partir dos melhores dados que temos, parece que os valores de massa que os neutrinos conhecidos têm estão muito próximos dos valores mais baixos que os dados de oscilação de neutrinos implicam.

Em outras palavras, apenas uma pequena fração da quantidade total de matéria escura pode estar na forma de neutrinos de luz . Dadas as restrições que temos hoje, podemos concluir que aproximadamente 0,5% a 1,5% da matéria escura é composta por neutrinos. Isso não é insignificante; os neutrinos de luz no Universo têm aproximadamente a mesma massa que todas as estrelas do Universo. Mas seus efeitos gravitacionais são mínimos e não podem compor a matéria escura necessária.

O observatório de neutrinos de Sudbury, que foi fundamental para demonstrar as oscilações de neutrinos e a massividade dos neutrinos. Com resultados adicionais de observatórios e experimentos atmosféricos, solares e terrestres, talvez não possamos explicar o conjunto completo do que observamos com apenas 3 neutrinos do Modelo Padrão, e um neutrino estéril ainda pode ser muito interessante como um escuro frio candidato da matéria. (A. B. MCDONALD (QUEEN'S UNIVERSITY) ET AL., THE SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY INSTITUTE)

Existe uma possibilidade exótica, no entanto, que significa que ainda podemos ter uma chance de os neutrinos causarem um grande impacto no mundo da matéria escura: é possível que haja um novo tipo extra de neutrino. Claro, temos que nos encaixar com todas as restrições da física de partículas e cosmologia que já temos, mas há uma maneira de fazer isso acontecer: exigir que, se houver um novo neutrino extra, seja estéril.

Um neutrino estéril nada tem a ver com seu gênero ou fertilidade; significa apenas que não interage por meio das interações fracas convencionais de hoje e que um bóson Z não se acopla a ele. Mas se os neutrinos podem oscilar entre os tipos convencionais e ativos e um tipo mais pesado e estéril, eles podem não apenas se comportar como se estivessem frios, mas podem compor 100% da matéria escura. Existem experimentos concluídos, como LSND e MiniBooNe, assim como experimentos planejados ou em andamento, como MicroBooNe, PROSPECT, ICARUS e SBND, que são altamente sugestivo de neutrinos estéreis sendo uma parte real e importante do nosso Universo .

Esquema do experimento MiniBooNE no Fermilab. Um feixe de prótons acelerados de alta intensidade é focado em um alvo, produzindo píons que decaem predominantemente em múons e neutrinos de múons. O feixe de neutrinos resultante é caracterizado pelo detector MiniBooNE. (APS / ALAN STONEBRAKER)

Se nos restringirmos apenas ao Modelo Padrão, simplesmente não podemos explicar a matéria escura que deve estar presente em nosso Universo. Nenhuma das partículas que conhecemos tem o comportamento correto para explicar todas as observações. Podemos imaginar um Universo onde os neutrinos tenham quantidades relativamente grandes de massa, e isso resultaria em um Universo com quantidades significativas de matéria escura. O único problema é que a matéria escura seria quente e levaria a um universo observavelmente diferente do que vemos hoje.

Ainda assim, os neutrinos que conhecemos se comportam como matéria escura, embora representem apenas cerca de 1% do total de matéria escura lá fora. Isso não é totalmente insignificante; é igual à massa de todas as estrelas do nosso Universo! E o mais emocionante, se realmente existe uma espécie de neutrino estéril por aí, uma série de experimentos futuros deve revelá-la nos próximos anos. A matéria escura pode ser um dos maiores mistérios por aí, mas graças aos neutrinos, temos a chance de entendê-la pelo menos um pouco.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . 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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