• Começa com um estrondo

O “cenário de pesadelo” da matéria escura é verdade?

A grande esperança é que, além da evidência astrofísica indireta que temos hoje, algum dia possamos detectá-la diretamente. Mas e se não pudermos?

Principais conclusões

• Desde que a necessidade de alguma fonte de gravitação, além das partículas normais de matéria que conhecemos, tornou-se aparente, a matéria escura tornou-se a principal explicação para nossas observações.
• Embora as evidências astrofísicas indiretas que apóiam sua existência sejam esmagadoras, todos os esforços de detecção direta não deram em nada.
• Isso não é evidência contra a existência da matéria escura, mas pode ser uma evidência de que o “cenário de pesadelo” da matéria escura que só interage gravitacionalmente pode ser verdade.

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Existe um enorme quebra-cabeça para o Universo, e é um que pode permanecer intrigante por muito tempo: a matéria escura. Por gerações, foi reconhecido que a conhecida lei da gravidade, a Relatividade Geral de Einstein, combinada com a matéria e a radiação que se sabe existir no Universo – incluindo todas as partículas e antipartículas descritas pelo Modelo Padrão da física – não adiciona para descrever o que vemos. Em vez de, em uma variedade de escalas cósmicas , desde o interior de galáxias individuais até grupos e aglomerados de galáxias até as maiores estruturas filamentosas de todas, é necessária uma fonte adicional de gravidade.

É possível que tenhamos entendido errado a lei da gravidade, mas se esse for o problema, está errado de uma forma extremamente complicada que também parece exigir uma fonte adicional de matéria (ou algo que se comporte de forma equivalente). Em vez disso, a hipótese mais comum e bem-sucedida é a da matéria escura: que existe uma forma adicional de matéria lá fora, e sentimos sua gravidade, mas ainda não o detectamos experimentalmente . Essa esperança, de confirmação experimental direta, só é possível se a matéria escura interagir com ela mesma ou com a matéria normal de maneira a deixar uma assinatura detectável. Se as únicas interações da matéria escura forem gravitacionais, talvez nunca a detectemos. Infelizmente, esse “cenário de pesadelo” pode ser exatamente o que está realmente acontecendo.

Os mapas de raios-X (rosa) e matéria geral (azul) de vários aglomerados de galáxias em colisão mostram uma separação clara entre a matéria normal e os efeitos gravitacionais, algumas das evidências mais fortes para a matéria escura. Os raios-X vêm em duas variedades, suaves (menor energia) e duros (alta energia), onde colisões de galáxias podem criar temperaturas superiores a várias centenas de milhares de graus.

Há uma série de peças de quebra-cabeça que, quando você as junta, favorecem fortemente a hipótese da matéria escura . Por um lado, sabemos a quantidade total de matéria normal no Universo com extrema precisão, pois a proporção dos elementos leves que existiam antes da formação de qualquer estrela - incluindo hidrogênio, deutério, hélio-3, hélio-4 e lítio - é extremamente sensível à proporção de matéria normal para o número total de fótons.

Medimos os fótons que sobraram do Big Bang: essa é a micro-ondas cósmica de fundo. Também medimos a abundância desses elementos e temos certeza de que apenas 4,9% da energia total do Universo está na forma de matéria normal.

Enquanto isso, quando olhamos para:

• os picos acústicos nas imperfeições da radiação cósmica de fundo,
• a maneira como as galáxias se agrupam e se correlacionam no espaço e no tempo,
• a velocidade de galáxias individuais dentro de grupos e aglomerados de galáxias,
• os efeitos de lentes gravitacionais de objetos cósmicos massivos,

e muito mais, descobrimos que uma quantidade adicional de massa que soma cerca de cinco vezes a quantidade total de matéria normal deve estar presente para explicar esses efeitos.

Um aglomerado de galáxias pode ter sua massa reconstruída a partir dos dados de lentes gravitacionais disponíveis. A maior parte da massa não é encontrada dentro das galáxias individuais, mostradas como picos aqui, mas no meio intergaláctico dentro do aglomerado, onde parece residir a matéria escura. Simulações e observações mais granulares também podem revelar a subestrutura da matéria escura, com os dados concordando fortemente com as previsões da matéria escura fria.

Assumindo que não nos enganamos sobre a esmagadora evidência astrofísica da matéria escura — e que não há alguma explicação de gravidade modificada para tudo o que estamos vendo - faz sentido não apenas olhar para a evidência indireta da matéria escura, mas tentar detectá-la diretamente. Porque sabemos, porque a evidência nos diz isso, que a matéria escura:

• deve se agrupar e se agrupar de maneira não uniforme,
• deve ter se movido muito lentamente em comparação com a velocidade da luz, mesmo nos primeiros tempos,
• e deve gravitar, afetando a curvatura do espaço-tempo com base em sua presença e abundância.

Ele deve se comportar como uma partícula massiva ou como um fluido massivo, gravitando de qualquer maneira.

Permanece uma suposição de que a matéria escura é quantizada e discreta: ou seja, que a matéria escura se comporta como uma partícula. Em vez disso, poderia ser quantizado e contínuo, que se alinharia com a explicação fluida , mas seja fluido ou partícula, existem três possibilidades de como a matéria escura se comporta.

1. A matéria escura interage consigo mesma e/ou com a matéria normal por meio de uma ou mais das forças conhecidas, além da gravidade.
2. A matéria escura interage consigo mesma e/ou com a matéria normal por meio de uma força adicional, até então desconhecida, além da gravidade.
3. A matéria escura interage consigo mesma e com a matéria normal apenas através da força gravitacional e nada mais.

É isso; essas são todas as possibilidades.

A execução das três constantes de acoplamento fundamentais (eletromagnéticas, fracas e fortes) com energia, no Modelo Padrão (à esquerda) e com um novo conjunto de partículas supersimétricas (à direita) incluídas. O fato de as três linhas quase se encontrarem é uma sugestão de que elas podem se encontrar se novas partículas ou interações forem encontradas além do Modelo Padrão, mas o funcionamento dessas constantes está perfeitamente dentro das expectativas do Modelo Padrão sozinho. É importante ressaltar que as seções transversais mudam em função da energia, e o Universo primitivo era muito rico em energia de maneiras que não foram replicadas desde o quente Big Bang.

Uma possibilidade simples é que a matéria escura foi, em algum ponto no início do Universo, mais fortemente acoplada à matéria normal (e possivelmente a si mesma também) do que é hoje. Existem muitos exemplos como este na natureza, mesmo dentro do velho e simples Modelo Padrão. A constante de acoplamento eletromagnético, por exemplo, aumenta notoriamente na força de acoplamento em energias mais altas; é apenas 1/137 sob condições normais, mas sobe para um valor mais próximo de 1/128 – cerca de 10% maior – em colisores de alta energia, como o Grande Colisor de Hádrons.

Mas um exemplo ainda mais grave é o neutrino, que interage apenas por meio da força fraca. Os neutrinos de maior energia são mais de 20 ordens de magnitude mais energéticos do que os de menor energia, que são neutrinos que sobraram do Big Bang quente. Mas a seção transversal desses neutrinos , que está diretamente relacionado à sua probabilidade de ter um neutrino interagindo com outro quantum de energia, varia em quase 30 ordens de magnitude nessa faixa de energia.

Se você estava se perguntando como poderíamos ter criado matéria escura tão abundantemente no início do Universo, e por que teríamos tanta dificuldade em detectá-la hoje, você não precisa ir além do neutrino para um exemplo. Se criássemos neutrinos apenas no Big Bang (e em nenhum outro lugar), ainda teríamos que detectá-los diretamente.

Os neutrinos vêm em uma ampla variedade de energias e foram observados (e calculados) como tendo uma ampla variedade de seções de choque. Os neutrinos foram detectados de um número enorme de fontes, mas nunca sobraram do Big Bang, pois sua seção transversal é muito baixa para ser acessível para experimentos.

Um cenário de como uma partícula de matéria escura poderia ter sido criada é presumir que, em algum ponto logo após o Big Bang quente, a seção transversal para fazer pares partícula-antipartícula de matéria escura era grande. (Isso se aplica mesmo que a matéria escura seja sua própria antipartícula, o que é uma característica de muitos cenários de matéria escura.) À medida que o Universo se expande e esfria, a seção transversal diminui e, eventualmente, a matéria escura para de se aniquilar ou interagir com qualquer outra coisa em qualquer maneira apreciável.

Quando isso acontece, a relíquia de abundância de matéria escura na época – seja ela qual for – fica “congelada” no Universo, e essa quantidade de matéria escura persiste até os dias atuais. Enquanto a matéria escura não decair em outra coisa (ou seja, enquanto a matéria escura for estável), ela é livre para gravitar, aglomerar e agrupar à medida que o Universo se expande. Desde que a matéria escura seja:

• não é muito leve, de modo que não estava se movendo muito rápido no início,
• ou nasceu com uma quantidade insignificante de energia cinética, de modo que, mesmo que seja de baixa massa, nasceu frio,

pode resolver todos os problemas cósmicos de que precisa.

As estruturas de matéria escura que se formam no Universo (à esquerda) e as estruturas galácticas visíveis que resultam (à direita) são mostradas de cima para baixo em um Universo de matéria escura fria, quente e quente. Pelas observações que temos, pelo menos 98%+ da matéria escura deve ser fria ou quente; quente é descartado. Observações de muitos aspectos diferentes do Universo em uma variedade de escalas diferentes apontam, indiretamente, para a existência de matéria escura.

Muitas décadas atrás, percebeu-se que se a matéria escura interagisse através das forças fortes ou eletromagnéticas, elas já teriam aparecido em experimentos. No entanto, a interação fraca permaneceu uma possibilidade intrigante e foi muito interessante pelo seguinte motivo.

Com base na astrofísica, podemos calcular qual deve ser a densidade da matéria escura hoje: cerca de cinco vezes mais densa que a quantidade total de matéria normal no Universo. Muitas extensões do Modelo Padrão prevêem que algum tipo de nova física surgirá próximo à escala de energia das partículas mais pesadas do Modelo Padrão, como os bósons W, Z e Higgs, bem como o mais pesado de todos: o quark top.

Você pode calcular, se quiser, qual seria a seção transversal de uma partícula de interação tão fraca – como a partícula supersimétrica mais leve, por exemplo – se a massa fosse comparável à escala eletrofraca. A seção transversal, lembre-se, determina as eficiências de produção e aniquilação em tempos anteriores. E a seção transversal que você obtém, em torno de 3 × 10 ^-26 cm ³ /s, é precisamente o que você preveria se exigisse que tal partícula interagisse por meio da força fraca.

Para obter a abundância cosmológica correta de matéria escura (eixo y), você precisa que a matéria escura tenha as seções transversais de interação corretas com a matéria normal (esquerda) e as propriedades de auto-aniquilação corretas (direita). Os experimentos de detecção direta agora descartam esses valores, exigidos pelo Planck (verde), desfavorecendo a matéria escura WIMP de interação de força fraca.

Este cenário ficou conhecido como o “milagre WIMP” cenário, porque parece uma coincidência milagrosa que inserir esses parâmetros levaria ao surgimento da seção transversal baseada em interação fraca esperada. Por muitos anos, uma série de experimentos de detecção direta foram conduzidos, com a esperança de que o cenário milagroso do WIMP se tornasse real. No final de 2022, não há evidências de que esse seja o caso e os limites da seção transversal de experimentos como o XENON descartaram o cenário padrão do milagre WIMP em praticamente todas as encarnações razoáveis.

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Mas uma partícula de matéria escura que interage por meio da interação fraca (ou, talvez mais completamente, da interação eletrofraca) não é o único jogo na cidade. Na verdade, o termo WIMP - um substituto para Dentro facilmente EU interagindo M assivo P artigo — pode ter “fraco” em seu nome, mas não se refere necessariamente à força fraca. Em vez disso, significa apenas que as interações que as partículas de matéria escura exibiriam devem ser relativamente mais fracas do que um certo limite. Embora a “interação fraca” ofereça uma possibilidade, uma nova força ainda mais fraca também é possível, assim como o verdadeiro cenário de pesadelo: a matéria escura só interage gravitacionalmente.

Partículas que interagem apenas gravitacionalmente ainda podem ser produzidas por meio de uma variedade de mecanismos no início do Universo, como no final da inflação cósmica. Embora a abundância da matéria (vermelho) e a abundância da radiação (verde) sejam conhecidas desde o início, a abundância dessa partícula apenas gravitacional (linha pontilhada) depende de parâmetros que não foram medidos. Em todos os lugares, exceto na região amarela, a matéria escura produzida por tais meios teria a garantia de não termalizar com o resto do Universo primitivo.

No final dos anos 1990, Rocky Kolb, Dan Chung e Tony Riotto elaboraram um cenário fascinante : talvez o que experimentamos como matéria escura não fosse uma relíquia térmica, como seria em cenários supersimétricos ou outros cenários compatíveis com milagres WIMP. Em vez disso, é possível que a matéria escura tenha sido inicialmente criada em uma condição fora de equilíbrio desde o momento em que surgiu. Notavelmente, se a massa da partícula maciça for alta o suficiente e apenas algumas delas (mas o suficiente) forem criadas, ela poderá representar 100% da matéria escura necessária.

À medida que a inflação chega ao fim e leva ao quente Big Bang, é possível que essa própria transição produza essas partículas massivas e fora de equilíbrio. Isso pode acontecer mesmo se:

• a partícula de matéria escura não interage com o inflaton ou o campo inflacionário,
• não se acopla a si mesmo ou a nenhuma das partículas do Modelo Padrão,
• e sua única interação é através da força gravitacional.

Assim como ondas gravitacionais e imperfeições de densidade/temperatura são produzidas durante a inflação e impressas no Universo pós-Big Bang, essas partículas ultramassivas, chamados WIMPzillas pelos autores , mostram que mesmo uma partícula que só interage gravitacionalmente poderia, em teoria, compor toda a matéria escura.

A maneira de produzir partículas candidatas a matéria escura não termicamente, mesmo que elas interajam apenas gravitacionalmente, leva a massas previstas que estão entre um trilhão e 10 quatrilhões de GeV em energia, em oposição às partículas “WIMP padrão” de 100-1.000 GeV geralmente consideradas . É essa natureza ultrapesada que os levou a serem chamados de WIMPzillas.

De muitas maneiras, isso representa um verdadeiro pesadelo para os físicos! Passamos toda a nossa carreira sob a suposição de que podemos aprender tudo o que precisamos aprender sobre o Universo simplesmente examinando o Universo em que vivemos, e agora temos um exemplo de como as coisas poderiam ter surgido de forma idêntica à nossa percepção. eles, sem meios de detectá-los ou criá-los que não envolvam a catástrofe final: restaurar o estado inflacionário inicial do Universo, talvez 'eliminar' todo o nosso cosmos da existência, a fim de criar mais partículas WIMPzilla.

Se a seção transversal entre a matéria escura e a matéria normal for efetivamente zero, o que significa que não importa quão energéticas sejam as partículas ou quantas partículas colidam umas com as outras, elas simplesmente não irão se espalhar e trocar momento e energia, não há como qualquer dos experimentos de detecção direta funcionarão. Lembre-se, todos eles têm uma coisa em comum: são todos feitos de matéria normal e requerem algum tipo de recuo ou outra interação partícula-partícula para criar um sinal detectável. Se a seção transversal da matéria escura-matéria normal for zero, nunca seremos capazes de detectar diretamente a matéria escura.

Este gráfico de 4 painéis mostra restrições nos axions solares, no momento magnético do neutrino e em dois “sabores” diferentes de candidatos a matéria escura, todos limitados pelos resultados mais recentes do XENONnT. Essas são as melhores restrições na história da física e demonstram notavelmente o quão boa é a colaboração do XENON no que fazem.

E, no entanto, a matéria escura ainda pode ser a resposta para o enigma de por que o Universo parece gravitar dessa maneira bizarra, inexplicável pela matéria normal e pela Relatividade Geral por conta própria.

Embora os físicos, sem dúvida, discutam sobre a melhor abordagem, a que o campo adotou continua a nos ensinar cada vez mais sobre a natureza da realidade e o conteúdo do nosso Universo. Construímos e refinamos experimentos de detecção direta que são genéricos, buscando qualquer tipo de interação que possa existir. Refinamos nossas técnicas para nos tornarmos cada vez mais sensíveis a pequenos sinais, aprendendo a explicar melhor o background de partículas “normais” que não podem ser 100% blindadas. E adotamos uma variedade de abordagens. Mesmo que nunca encontremos matéria escura, aprender como nosso Universo realmente se comporta nunca é um mau investimento.

Mas de uma perspectiva teórica, não podemos absolutamente ignorar a possibilidade do cenário de pesadelo. Somos compelidos, a partir da evidência astrofísica indireta e dos resultados nulos de qualidade dos esforços de detecção direta, a considerá-lo seriamente. Se a matéria escura interage apenas gravitacionalmente, cabe a nós, como humanos inteligentes, descobrir como desvendar os segredos mais sombrios da natureza. Ainda não chegamos lá, mas identificar os problemas e as possibilidades, por mais ofensivas que as consideremos, é necessário para que haja progresso.

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