Esta 'anomalia' está levando os físicos a procurar a matéria escura clara
O detector XENON1T, com seu criostato de fundo baixo, é instalado no centro de um grande escudo de água para proteger o instrumento contra fundos de raios cósmicos. Essa configuração permite que os cientistas que trabalham no experimento XENON1T reduzam bastante o ruído de fundo e descubram com mais confiança os sinais dos processos que estão tentando estudar. A XENON não está apenas procurando por matéria escura pesada, semelhante a WIMP, mas outras formas de matéria escura em potencial, incluindo candidatos à luz, como fótons escuros e partículas semelhantes a áxions. (COLABORAÇÃO XENON1T)
Quando você está tentando retirar o véu que obscurece a natureza fundamental da matéria, você tem que olhar absolutamente em todos os lugares.
Às vezes, a solução para um quebra-cabeça que o impediu está em um lugar que você já procurou. Só que, até que você desenvolva ferramentas de melhor precisão do que as usadas para realizar suas pesquisas anteriores, você não poderá encontrá-las. Isso aconteceu muitas vezes nas ciências, desde a descoberta de novas partículas até a descoberta de fenômenos como radioatividade, ondas gravitacionais ou matéria escura e energia escura.
Estamos procurando por novas partículas não previstas pelo Modelo Padrão com uma enorme variedade de experimentos há décadas, de aceleradores a laboratórios subterrâneos a decaimentos raros e exóticos de partículas cotidianas. Apesar de décadas de pesquisa, nenhuma partícula além do Modelo Padrão apareceu. Mas, recentemente, as pesquisas começaram a considerar a matéria escura clara, apesar de já ter procurado nesse intervalo esperado. Temos que olhar melhor, e um resultado experimental inexplicável é o motivo.
Quando você colide duas partículas quaisquer, 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/núcleon. No entanto, existem muitas contribuições mundanas e de fundo que podem dar um resultado semelhante. Este cenário hipotético em particular criará uma assinatura observável em detectores de germânio, xenônio líquido e argônio líquido. (VISÃO GERAL DA MATÉRIA ESCURA: PESQUISAS DE DETECÇÃO DIRETA E INDIRETA DE COLLIDER — QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV:1605.08788)
Identificar um quebra-cabeça científico – um fenômeno ou observação que não pode ser explicado convencionalmente – é muitas vezes o ponto de partida que leva a uma revolução científica. Se elementos pesados são feitos a partir da síntese de elementos mais leves, por exemplo, então você tem que ter um caminho viável para a construção natural dos elementos pesados que vemos hoje. Se a sua melhor teoria não pode explicar por que o carbono existe, mas observamos que o carbono existe, esse é um bom quebra-cabeça para a ciência investigar.
Muitas vezes, o próprio quebra-cabeça oferece possíveis pistas para uma solução. O fato de não haver campos elétricos e magnéticos em fase estacionários e oscilantes levou à Relatividade Especial. Se não fosse por uma observação misteriosa da falta de energia em decaimentos beta radioativos, não teríamos previsto o neutrino. E os padrões observados nas partículas compostas pesadas produzidas em aceleradores levaram ao modelo de quarks e à previsão do Ω-baryon.
Diferentes maneiras de juntar quarks up, down, strange e bottom com um spin de +3/2 resultam no seguinte “espectro bariônico”, ou coleção de 20 partículas compostas. A partícula Ω-, no degrau mais baixo da pirâmide, foi prevista pela primeira vez aplicando a teoria dos quarks de Murray Gell-Mann à estrutura das partículas previamente conhecidas e inferindo a existência das peças que faltavam. (FERMI NATIONAL ACELERATOR LABORATÓRIO)
No caso do mistério da existência do carbono, a situação só ficou mais interessante com o tempo. Na década de 1950, o cientista Fred Hoyle, juntamente com Geoffrey e Margaret Burbidge, estavam tentando entender como os elementos mais pesados da tabela periódica eram formados se tudo o que você começava fosse os mais leves de todos.
Postulando que o Sol era alimentado pela energia liberada da fusão nuclear de elementos leves em pesados, Hoyle poderia explicar a síntese de deutério, trítio, hélio-3 e hélio-4 a partir de núcleos de hidrogênio bruto (prótons), mas não conseguiu. t encontrar uma maneira de chegar ao carbono. Você não poderia adicionar um próton ou nêutron ao hélio-4, já que tanto o hélio-5 quanto o lítio-5 eram instáveis: eles decairiam após ~10^-22 segundos. Você não poderia adicionar dois núcleos de hélio-4, porque o berílio-8 era muito instável, decaindo após ~10^-16 segundos.
O processo triplo-alfa, que ocorre nas estrelas, é como produzimos elementos de carbono e mais pesados no Universo, mas requer um terceiro núcleo de He-4 para interagir com o Be-8 antes que este decaia. Caso contrário, Be-8 volta para dois núcleos de He-4. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)
Mas Hoyle tinha uma brilhante solução possível na manga. Se um ambiente denso o suficiente pudesse criar berílio-8 em escalas de tempo suficientemente rápidas, poderia ser possível que um terceiro núcleo – outro hélio-4 – entrasse lá antes que o berílio decaísse. Matematicamente, isso permitiria que você criasse carbono-12: permitindo a existência de carbono nas condições certas.
Infelizmente, sabíamos a massa de um núcleo de carbono-12 e não correspondia à massa de hélio-4 mais a massa de berílio-8. A menos que nossa compreensão da física nuclear estivesse errada, essa reação não poderia explicar o carbono que vemos hoje. Mas a solução alternativa de Hoyle foi brilhante: ele levantou a hipótese da existência de outra possibilidade até então desconhecida: um estado ressonante de carbono-12 poderia existir com a massa certa.
Willie Fowler em W.K. Kellogg Radiation Laboratory da Caltech, que confirmou a existência do Hoyle State e do processo triplo-alfa. (ARQUIVOS CALTECH)
Então, poderia decair para o carbono-12 que vemos hoje. Este processo nuclear, o processo triplo-alfa, agora é conhecido por ocorrer dentro de estrelas gigantes vermelhas, com o estado ressonante do carbono-12 agora conhecido como estado de Hoyle, como foi confirmado pelo físico nuclear Willie Fowler mais tarde na década de 1950. A existência de carbono e o quebra-cabeça de como criá-lo usando física conhecida e ingredientes pré-existentes levaram a essa descoberta notável.
Talvez, então, uma linha de raciocínio semelhante possa levar a uma solução para os maiores quebra-cabeças que os físicos enfrentam hoje?
Sem dúvida vale a pena experimentar. Todos sabemos que esses grandes quebra-cabeças incluem matéria escura, energia escura, a origem da assimetria matéria/antimatéria em nosso Universo, a origem da massa de neutrinos e a incrível diferença entre a escala de Planck e as massas reais das partículas conhecidas.
As massas dos quarks e léptons do Modelo Padrão. A partícula do modelo padrão mais pesada é o quark top; o não-neutrino mais leve é o elétron, que é medido como tendo uma massa de 511 kev/c². Os próprios neutrinos são pelo menos 4 milhões de vezes mais leves que o elétron: uma diferença maior do que a existente entre todas as outras partículas. No outro extremo da escala, a escala de Planck paira em um presságio de 1⁰¹⁹ GeV. Não sabemos de nenhuma partícula mais pesada que o quark top, nem por que as partículas têm os valores de massa que têm. (HITOSHI MURAYAMA DE HTTP://HITOSHI.BERKELEY.EDU/ )
Por outro lado, temos pistas de medições e observações de que nossa história atual do Universo pode não ser tudo o que existe. A maioria deles ainda não atingiu o limite definitivo de 5 sigma que exigimos para afirmar que algo novo está por aí, mas são sugestivos.
- O momento magnético medido do múon não corresponde às previsões teóricas com uma tensão de 3,6 sigma.
- O experimento AMS viu um excesso de pósitrons, com um corte de energia visto com confiança de 4,0 sigma.
- E a tensão entre os diferentes métodos de medição da taxa de expansão do Hubble subiu para uma discrepância de 4,4 sigma .
Mas um experimento ultrapassou esse limite anos atrás : um experimento projetado para medir o decaimento daquele estado de vida curta tão essencial para a criação de carbono no Universo: berílio-8. Ele discorda de nossas previsões convencionais por um impressionante 6,8 sigma e é conhecido na comunidade como a anomalia Atomki.
O modelo do acelerador, usado para bombardear o lítio e criar o Be-8, usado no experimento que primeiro mostrou uma inesperada discrepância no decaimento de partículas, localizado na entrada do Instituto de Pesquisa Nuclear da Academia Húngara de Ciências. (YOAV DOTHAN)
Quando você cria uma partícula como o berílio-8, você espera que ela decaia novamente em dois núcleos de hélio-4 sem direção preferencial em relação ao seu centro de massa. Em um ambiente de laboratório, a fusão de dois núcleos de hélio-4 é impraticável, mas a fusão de lítio-7 com um próton fará um trabalho tão bom na criação de berílio-8 com uma exceção adicional: ele criará o núcleo de berílio-8 em um estado excitado. Estado.
Assim como o estado Hoyle do carbono era um estado excitado, ele precisava emitir um fóton de alta energia (raios gama) antes de cair para o estado fundamental. Bem, o berílio-8 excitado precisa emitir um fóton de alta energia antes que possa decair para dois núcleos de hélio-4, e esse fóton será energético o suficiente para que haja uma chance de produzir espontaneamente um par elétron/pósitron. O ângulo relativo entre o elétron e o pósitron, supondo que você faça um detector para traçar esses rastros, lhe dirá qual era a energia do fóton emitido.
Os rastros de decaimento de partículas instáveis em uma câmara de nuvens, que nos permitem reconstruir os reagentes originais. O ângulo de abertura entre os trilhos laterais em forma de V informará a energia da partícula que decaiu neles. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO CLOUDYLABS)
Você esperaria que houvesse uma distribuição de energia previsível para o fóton e, portanto, uma distribuição suave nos ângulos de abertura entre o elétron e o pósitron. Você anteciparia totalmente um número máximo de eventos com um determinado ângulo e, em seguida, a taxa de eventos diminuiria à medida que você partisse desse ângulo.
Exceto que, a partir de 2015, uma equipe húngara liderada por Attila Krasznahorkay encontrou uma surpresa: à medida que o ângulo entre os elétrons e os pósitrons aumenta, o número de eventos diminui, até chegar a uma separação angular de 140º, onde observaram um aumento surpreendente no número de eventos. Talvez tenha sido um erro experimental; talvez tenha havido um erro de análise; ou talvez, apenas talvez, o resultado seja robusto, e essa é uma pista que pode nos ajudar a resolver um profundo mistério da física.
O excesso de sinal nos dados brutos aqui, delineados por E. Siegel em vermelho, mostra a potencial nova descoberta agora conhecida como anomalia Atomki. Embora pareça uma pequena diferença, é um resultado incrivelmente significativo estatisticamente e levou a uma série de novas buscas por partículas de aproximadamente 17 MeV/c². (A.J. KRASZNAHORKAY ET AL., 2016, PHYS. REV. LETT. 116, 042501)
Se o resultado for robusto, uma possível explicação é a existência de uma nova partícula com uma massa específica : cerca de 0,017 GeV/c². Essa partícula seria mais pesada que o elétron e todos os neutrinos, mas mais leve que qualquer outra partícula fundamental massiva já descoberta. Vários diferente teórico cenários foram propostos para explicar essa medição, e várias maneiras de procurar uma assinatura experimental também foram criadas.
Quando você ouve falar experimentos à procura de um fóton escuro , um bóson vetor de luz, uma partícula protofóbica ou a partícula portadora de força para uma nova quinta força, todos eles são procurando variantes isso poderia explicar essa anomalia Atomki. Não só isso, mas muitos deles também buscam resolver um dos grandes quebra-cabeças com essa partícula: o quebra-cabeça da matéria escura. Não há mal nenhum em atirar para a Lua, mas cada medição encontrou a mesma decepção: resultados nulos .
Os resultados dependentes e independentes de rotação da colaboração XENON não indicam nenhuma evidência de uma nova partícula de qualquer massa, incluindo o cenário de matéria escura clara que se encaixaria na anomalia Atomki. (E. APRILE ET AL., 'LIGHT DARK MATTER SEARCH COM IONIZATION SIGNALS IN XENON1T', ARXIV: 1907.11485)
Se não fosse pela natureza intrigante da anomalia Atomki, não haveria motivação para se interessar pela matéria escura nessas energias. Os resultados dos colisores elétron-pósitron deveriam ter visto algo nessas energias há muito tempo, mas não existe evidência de uma nova partícula. É apenas por meio de cenários planejados, que foram explicitamente planejados para explicar a anomalia Atomki e evitar as restrições existentes, que inventamos esses cenários de matéria escura clara.
Ainda assim, é onde estão as pistas, então esse é um dos lugares que estamos procurando. Há um grande aviso aqui: na ciência, temos a tendência de encontrar as partículas que procuramos nos lugares onde procuramos ativamente, quer elas realmente existam ou não. Fokke de Boer, que liderou os experimentos Atomki antes de Krasznahorkay, tinha uma rica história de descoberta de evidências semelhantes para novas partículas, apenas para que esses resultados não fossem verificados e replicados.
O júri ainda não sabe se essa anomalia é tão boa quanto se espera, mas até que tenhamos uma explicação robusta, temos que manter a mente aberta e olhar em todos os lugares que os dados nos dizem que a nova física pode razoavelmente estar. Apesar dos resultados nulos, a busca continua.
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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