• Começa Com Um Estrondo

A esperança do 'MILAGRE WIMP' para a matéria escura está morta

A busca por partículas de matéria escura nos levou a procurar WIMPs que podem recuar com núcleos atômicos. A Colaboração LZ fornecerá os melhores limites nas seções transversais de WIMP-nucleon de todos, mas os cenários mais motivados para ter uma partícula impulsionada por força fraca na escala eletrofraca ou perto dela compõem 100% da matéria escura já estão descartados . (COLABORAÇÃO LUX-ZEPLIN (LZ) / LABORATÓRIO NACIONAL DE ACELERADOR SLAC)

Mas não devemos desistir da detecção direta. Aqui está o porquê.

A matéria escura não é apenas a forma mais abundante de matéria no Universo, é também a mais misteriosa. Enquanto todas as outras partículas que conhecemos – átomos, neutrinos, fótons, antimatéria e todas as outras partículas do Modelo Padrão – interagem através de pelo menos uma das forças quânticas conhecidas, a matéria escura parece interagir apenas através da gravidade.

De acordo com muitos, seria melhor chamá-lo de matéria invisível, em vez de matéria escura. Ele não apenas emite ou absorve luz, mas também não interage com nenhuma das partículas conhecidas e diretamente detectáveis ​​por meio das forças nucleares eletromagnéticas, fortes ou fracas. O candidato à matéria escura mais procurado é o WIMP: a partícula massiva de interação fraca. A grande esperança era um milagre WIMP, uma grande previsão de supersimetria .

É 2019, e essa esperança agora está frustrada. Experimentos de detecção direta descartaram completamente os WIMPs que esperávamos.

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 sinal em particular aparecerá 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)

O Universo, de uma perspectiva astrofísica, tem que ser feito de mais do que apenas a matéria normal que conhecemos. A matéria normal, neste caso, qualifica-se como qualquer uma das partículas conhecidas no Modelo Padrão. Inclui qualquer coisa feita de quarks, léptons ou bósons conhecidos, e inclui objetos exóticos como estrelas de nêutrons, buracos negros e antimatéria. Toda a matéria normal no Universo foi quantificada através de uma variedade de métodos, e totaliza apenas cerca de um sexto do que deve estar presente, no geral, para explicar as interações gravitacionais que vemos em escalas cósmicas.

O grande problema, é claro, é que todas as nossas evidências para a matéria escura são indiretas. Podemos observar seus efeitos no laboratório astrofísico do espaço, mas nunca o detectamos diretamente, em um laboratório aqui na Terra. Isso não é, veja bem, por falta de tentativa.

Hall B de LNGS com instalações XENON, com o detector instalado dentro do grande escudo de água. Se houver alguma seção transversal diferente de zero entre a matéria escura e a matéria normal, não apenas um experimento como esse terá a chance de detectar a matéria escura diretamente, mas há uma chance de que a matéria escura acabe interagindo com seu corpo humano. (INF)

Se você deseja detectar diretamente a matéria escura, não é tão simples quanto detectar as partículas conhecidas do Modelo Padrão. Para qualquer coisa feita de quarks, léptons ou bósons conhecidos, podemos quantificar por quais forças eles interagem e com que magnitude. Podemos usar o que sabemos sobre física, e em particular sobre as forças e interações conhecidas entre as partículas conhecidas, para prever quantidades como seções transversais, taxas e produtos de decaimento, amplitudes de espalhamento e outras propriedades que somos capazes de medir em experimentos. física de partículas.

A partir de 2019, obtivemos um tremendo sucesso nas frentes que confirmaram o Modelo Padrão de maneiras com as quais teóricos e experimentalistas poderiam ter sonhado apenas meio século atrás. Detectores em colisores e instalações subterrâneas isoladas abriram o caminho.

As partículas e antipartículas do Modelo Padrão já foram detectadas diretamente, com a última resistência, o bóson de Higgs, caindo no LHC no início desta década. Todas essas partículas podem ser criadas nas energias do LHC, e as massas das partículas levam a constantes fundamentais que são absolutamente necessárias para descrevê-las completamente. Essas partículas podem ser bem descritas pela física das teorias quânticas de campo subjacentes ao Modelo Padrão, mas elas não descrevem tudo, como a matéria escura. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Há todo um espectro de partículas – fundamentais e compostas – previstas pelo Modelo Padrão. Suas interações através das forças nuclear forte, eletromagnética e nuclear fraca podem ser calculadas por meio de técnicas desenvolvidas na teoria quântica de campos, permitindo-nos criar e detectar essas partículas de várias maneiras.

Cada quark e antiquark agora foi produzido diretamente em um acelerador, com o quark top, o último reduto, caindo em 1995.

Todos os léptons e antiléptons foram vistos por detectores, com o neutrino tau (e sua contraparte de antimatéria, o antineutrino tau) completando o setor lépton no início e meados dos anos 2000.

E todos os bósons do Modelo Padrão também foram criados e detectados, com o bóson de Higgs, a peça final do quebra-cabeça, aparecendo definitivamente no LHC em 2012.

A primeira detecção robusta de 5 sigma do bóson de Higgs foi anunciada há alguns anos pelas colaborações CMS e ATLAS. Mas o bóson de Higgs não faz um único “pico” nos dados, mas sim um aumento espalhado, devido à sua incerteza inerente na massa. O valor de sua massa em 125 GeV/c² é intrigante para os físicos, mas não tão desconcertante quanto o quebra-cabeça da matéria escura. (A COLABORAÇÃO CMS, OBSERVAÇÃO DO DIPHOTON DECAY DO BÓSON DE HIGGS E MEDIÇÃO DE SUAS PROPRIEDADES, (2014))

Entendemos como as partículas do Modelo Padrão se comportam. Temos previsões sólidas de como eles devem interagir através de todas as forças fundamentais e confirmação experimental dessas teorias. Também temos restrições extraordinárias sobre como eles podem interagir de uma maneira além do Modelo Padrão. Por causa de nossas restrições de aceleradores, raios cósmicos, experimentos de decaimento, reatores nucleares e muito mais, conseguimos descartar muitas ideias possíveis que foram teorizadas.

Quando se trata do que pode compor a matéria escura, no entanto, tudo o que temos são as observações astrofísicas e nosso trabalho teórico, em conjunto, para nos guiar. As possíveis teorias que apresentamos incluem um grande número de candidatos à matéria escura, mas nenhuma que tenha obtido qualquer apoio experimental.

As forças no Universo, e se elas podem se acoplar à matéria escura ou não. A gravidade é uma certeza; todos os outros não o fazem ou são altamente constrangidos quanto ao nível de interação. (INSTITUTO PERÍMETRO)

O candidato à matéria escura mais procurado é o WIMP: a partícula massiva de interação fraca. Nos primeiros dias - ou seja, na década de 1970 - percebeu-se que algumas teorias de física de partículas que previam novas partículas além do Modelo Padrão poderiam eventualmente produzir novos tipos de partículas neutras estáveis ​​se houvesse algum novo tipo de paridade (um tipo de simetria) que os impedia de se decompor.

Isso agora inclui ideias como supersimetria, dimensões extras ou o pequeno cenário de Higgs. Todos esses cenários têm a mesma história em comum:

• Quando o Universo era quente e denso no início, todas as partículas (e antipartículas) que poderiam ser criadas foram criadas em grande abundância, incluindo quaisquer extras, além do Modelo Padrão.
• Quando o Universo esfriou, essas partículas decaíram em progressivamente mais leves e mais estáveis.
• E se o mais leve fosse estável (por causa da nova simetria de paridade) e eletricamente neutro, persistiria até os dias atuais.

Se você avaliar qual é a massa e a seção transversal dessas novas partículas, você pode obter uma densidade prevista para sua abundância estimada hoje.

A fim de 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). Experimentos de detecção direta agora descartam esses valores, exigidos pelo Planck (verde), desfavorecendo a matéria escura WIMP de interação de força fraca. (P.S. BHUPAL DEV, ANUPAM MAZUMDAR, & SALEH QUTUB, FRENTE PARA ENTRADA FÍSICO 2 (2014) 26)

Foi daí que surgiu a ideia da matéria escura WIMP. Essas novas partículas não poderiam ter interagido por meio da interação forte ou eletromagnética; essas interações têm uma seção transversal muito alta e já teriam aparecido. Mas a interação nuclear fraca é uma possibilidade. Originalmente, o W em WIMP representava a interação fraca, por causa de uma coincidência espetacular (aparecendo em supersimetria) conhecida como o milagre do WIMP .

Se você colocar a densidade de matéria escura que o Universo requer hoje, você pode inferir quantas partículas de matéria escura você precisa de uma determinada massa para compô-la. A escala de massa de interesse para a supersimetria - ou qualquer teoria que apareça na escala eletrofraca - está na faixa de 100 GeV a 1 TeV, para que possamos calcular qual deve ser a seção transversal de auto-aniquilação para obter a abundância certa de matéria escura.

Esse valor (da seção transversal multiplicada pela velocidade) fica em torno de 3 × 10^–26 cm³/s, o que está alinhado com o que você esperaria se essas partículas interagissem através da força eletrofraca.

Hoje, os diagramas de Feynman são usados ​​no cálculo de todas as interações fundamentais abrangendo as forças forte, fraca e eletromagnética, inclusive em condições de alta energia e baixa temperatura/condensadas. Se houver uma nova partícula que se acopla à interação fraca, ela irá interagir, em algum nível, com as partículas conhecidas do Modelo Padrão e, portanto, terá uma seção transversal com o próton e o nêutron. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)

É claro que, se quaisquer novas partículas interagem através da força eletrofraca, elas também se acoplam às partículas do Modelo Padrão. Se uma nova partícula se acopla, por exemplo, ao bóson W ou Z (que carrega a força fraca), então há uma probabilidade finita e diferente de zero de que essas partículas colidirão com qualquer partícula à qual um bóson W ou Z se acople, como um quark dentro de um próton ou nêutron.

Isso significa que podemos construir experimentos de matéria escura procurando um recuo nuclear de partículas de matéria normal conhecidas. Recuos além daqueles causados ​​pela matéria normal seriam evidências da existência de matéria escura. Claro, existem eventos de fundo: nêutrons, neutrinos, núcleos em decomposição radioativa na matéria circundante, etc. fundo e extrair qualquer sinal potencial de matéria escura que possa estar lá.

Os limites da seção transversal de prótons e nêutrons da colaboração LUX, que efetivamente descartou o último espaço de parâmetros da era 2000 para WIMPs interagindo através da força fraca sendo 100% da matéria escura. Observe, nas áreas levemente sombreadas ao fundo, como os teóricos estão fazendo novas previsões “revisadas” em seções transversais cada vez mais baixas. Não há boa motivação física para fazer isso. (COLABORAÇÃO LUX, PHYS. REV. LETT. 118, 251302 (2017))

Esses experimentos estão em andamento há décadas e não viram matéria escura. As restrições modernas mais rigorosas vem de LUX (acima de) e XENON 1T (abaixo). Esses resultados nos informam que a seção de choque de interação para prótons e nêutrons é extraordinariamente pequena e é diferente para cenários dependentes e independentes de spin.

LUX nos levou a limites de seção transversal dependentes de spin abaixo de 1,0–1,6 × 10^−41 cm² para prótons e nêutrons e independentes de spin abaixo de 1,0 × 10^−46 cm²: baixo o suficiente para descartar todos os modelos de matéria escura SUSY propostos em 2001 . Uma restrição mais sensível agora vem do XENON: a restrição de nêutrons dependente de spin é 6 × 10−42 cm², enquanto as seções transversais independentes de spin estão abaixo de 4,1 × 10−47 cm², apertando ainda mais os parafusos.

A seção transversal WIMP/nucleon independente de spin agora obtém seus limites mais rigorosos do experimento XENON1T, que melhorou em relação a todos os experimentos anteriores, incluindo LUX. Enquanto teóricos e fenomenólogos sem dúvida continuarão produzindo novas previsões com seções transversais cada vez menores, a ideia de um milagre WIMP perdeu toda motivação razoável com os resultados experimentais que já temos em mãos. (E. APRIL ET AL., FÍSICA REV. LETT. 121, 111302 (2018))

Esta é uma medida diferente de ter partículas de matéria escura se auto-aniquilando, mas essa medida nos diz algo incrivelmente valioso. Os modelos de supersimetria ou dimensões extras que fornecem as abundâncias corretas de matéria escura através das interações fracas são descartados por esses experimentos. Se houver matéria escura WIMP, ela deve ser mais fraca do que a interação fraca permite compreender 100% da matéria escura. Adicionalmente, o LHC não deve detectá-lo .

Os teóricos sempre podem ajustar seus modelos, e fizeram tantas vezes, empurrando a seção transversal antecipada para baixo e para baixo à medida que o resultado nulo aparece. outras razões físicas além de suas restrições experimentais tornaram-se mais severas. Não há mais motivação, além de preferir uma conclusão que os dados excluem, ao fazê-lo.

Havia uma enorme variedade de potenciais novas assinaturas físicas que os físicos têm procurado no LHC, de dimensões extras a matéria escura a partículas supersimétricas e micro-buracos negros. Apesar de todos os dados que coletamos dessas colisões de alta energia, nenhum desses cenários mostrou evidências que apoiem sua existência. (CERN / EXPERIMENTO ATLAS)

Mas realizar esses experimentos de detecção direta ainda é incrivelmente valioso. Existem outras formas de produzir matéria escura que vão além do cenário mais convencional. Além disso, essas restrições não exigem uma fonte não-WIMPy de matéria escura. Muitos outros cenários interessantes não precisam de um milagre WIMP.

Por muitas décadas, o W foi reconhecido como não para a interação fraca, mas para uma interação não mais forte do que é permitido pela força fraca. Se temos partículas novas, além do Modelo Padrão, também podemos ter novas forças e interações. Experimentos como XENON e LUX são nossa única maneira de testá-los.

Além disso, candidatos à matéria escura que são produzidos por um mecanismo diferente em faixas de massa mais baixas, como áxions ou neutrinos estéreis, ou através da interação gravitacional sozinha em massas mais altas, como WIMPzillas , estão muito em jogo.

A configuração criogênica de um dos experimentos que procura explorar uma interação hipotética para um candidato à matéria escura não WIMP: o áxion. Os áxions, se forem a matéria escura, podem se converter em fótons através da interação eletromagnética, e a cavidade mostrada aqui foi projetada para testar essa possibilidade. No entanto, se a matéria escura não tiver as propriedades específicas que os experimentos atuais estão testando, nenhum dos detectores que construímos a encontrará diretamente. (AXION DARK MATTER EXPERIMENT (ADMX) / LLNL'S FLICKR)

Nossa busca por matéria escura no laboratório, por meio de esforços de detecção direta, continua a impor restrições importantes sobre o que a física pode estar presente além do Modelo Padrão. Para aqueles casados ​​com milagres, porém, quaisquer resultados positivos agora parecem cada vez mais improváveis. Essa busca agora é uma reminiscência do bêbado procurando suas chaves perdidas sob o poste de luz. Ele sabe que eles não estão lá, mas é o único lugar onde brilha a luz que lhe permite olhar.

O milagre do WIMP pode estar morto e enterrado, pois as partículas que interagem através da força fraca na escala eletrofraca foram desfavorecidas pelos colisores e pela detecção direta. A ideia de matéria escura WIMP, no entanto, continua viva. Só temos que lembrar que, quando você ouve WIMP, incluímos matéria escura que é mais fraca e mais fraca do que as interações fracas permitem. Há, sem dúvida, algo novo lá fora no Universo, esperando para ser descoberto.

O milagre do WIMP acabou. Mas ainda podemos obter o melhor milagre de todos: se esses experimentos revelarem algo além de um resultado nulo. A única maneira de saber é olhando.

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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