Sciam
Clique e assine Sciam
Notícias

A física enfrenta seu lado negro

Estão surgindo falhas na explicação dominante para matéria escura. Existe outra mais plausível para substituí-la?

A física perdeu um encontro marcado há tempos com o seu futuro — de novo. As mais recentes e sensíveis buscas pelas partículas que, acredita-se, compõem a matéria escura — a coisa invisível que pode compreender 85% da massa do cosmos — não encontraram nada. Chamadas de partículas maciças fracamente interagentes (WIMPs, na sigla em inglês), essas tímidas partículas subatômicas talvez sejam apenas mais eficientes em se esconder do que os físicos pensaram quando as previram originalmente, há mais de 30 anos. Outra possibilidade é que elas não existam, o que significaria que algo está lamentavelmente errado na essência de como tentamos entender o universo. Muitos cientistas ainda têm esperança de que versões aperfeiçoadas dos experimentos que buscam pelas WIPMs irão encontrá-las, mas outros estão olhando de modo diferente para os conceitos de matéria consideradas, por muito tempo, improváveis.

Seja lá o que for a matéria escura, não está no Modelo Padrão da física de partículas, uma “teoria de quase tudo” testada exaustivamente nos anos 70, que explica todas as partículas e forças conhecidas, além da gravidade. Encontre a identidade da matéria escura e você iluminará um novo caminho em direção a um maior conhecimento e compreensão do universo — pelo menos, é isso que os físicos esperam.

WIMPs sentiriam o puxão gravitacional por estarem em algum lugar entre uma e mil vezes a massa de um próton. Sua única outra conexão com nosso mundo familiar seria através de uma força nuclear fraca, que seria mais forte do que a gravidade mas apenas ativa nas curtas distâncias da escala de um núcleo atômico. Se existem, as WIMPs deveriam nos cercar como uma névoa invisível, e com chances tão remotas de interagir com matéria regular que poderia atravessar incólume blocos de chumbo com anos-luz de extensão.  

Destemidos, experimentalistas passaram décadas imaginando e operando detectores de WIMPs com nomes astutos o suficiente para transbordar uma sopa de letras comum. (CDEX, CDMS, CoGeNT, COUPP e CRESST são apenas alguns dos mais notáveis exemplos que começam com a letra C.) O trabalho delicado de detectar qualquer interação fraca, rara e fugaz de WIMPs com átomos requer isolamento, confinando a maior parte dos detectores em cavernas, minas abandonadas e outros espaços subterrâneos.

Um dos mais recentes resultados negativos na busca por WIMPs veio do experimento Large Underground Xenon (LUX), um terço de tonelada de xenônio líquido mantido a uma temperatura de 100ºC negativos dentro do um tanque gigante de água enterrado a 1,5 quilômetros abaixo da terra da região de Black Hills, Dakota do Sul. Lá, protegido e isolado de maior parte das fontes de barulho, pesquisadores passaram mais de um ano procurando por flashes de luz que emanassem de WIMPs colidindo com núcleo de xenônio. No dia 21 de julho, eles anunciaram que não haviam visto nenhum.

A próxima decepção veio no dia 5 de agosto, do acelerador de partículas mais poderoso já construído: o Large Hadron Collider (LHC), do CERN, localizado perto de Genebra, Suíça. Em 2012, depois de ter encontrado o bóson de Higgs — a partícula final que impregna outras com massa prevista há tempos pelo Modelo Padrão — muitos teóricos acreditaram que o próximo resultado de sucesso do LHC seria a descoberta de como o Higgs (ou outas partículas hipotéticas parecidas com ele) ajudam a produzir as WIMPs que enchem o universo. Desde a primavera boreal de 2015, o LHC tem buscado essas ideias através da colisão de prótons a taxas inéditas de energia, de um bilhão por segundo, quebrando fronteiras da física de partículas. Mais cedo, duas equipes independentes perceberam uma anomalia intrigante nos destroços subatômicos, um excesso de energia de uma colisão entre prótons que indicou que, talvez, WIMPs tivessem sido produzidas (mas, para ser justo, havia muitas outras possibilidades exóticas). Ao invés disso, à medida que mais colisões foram realizadas e mais dados coletados, descobriu-se que a a anomalia havia sido um acaso estatístico.

Juntos, esses dois resultados nulos são uma faca de dois gumes para a matéria escura. Por um lado, as novas restrições sobre as massas e interações plausíveis de WIMPs são planos de ação para a próxima de geração de detectores que poderiam oferecer chances melhores de sucesso. Por outro, eles excluíram algumas dos modelos mais simples e celebrados de WIMPs, gerando temores de que as partículas talvez tenham sido um desvio de décadas na procura da matéria escura.

Edward “Rocky” Kolb, um cosmologista da Universidade de Chicago, que, nos anos 70, ajudou a consolidar os fundamentos para a caça às WIMPs, declarou os anos a partir de 2010 como “a década das WIMPs”, mas agora admite que a procura não saiu como planejado. “Nós estamos mais no escuro sobre matéria escura do que estávamos cinco anos atrás”, ele diz. Até agora, afirma Kolb, a maior parte dos teóricos responderam “deixando milhares de WIMPs florescerem,” criando teorias cada vez mais exóticas para explicar como WIMPs conseguiram desviar de todos os detectores.

Existe, é claro, outra possibilidade —  a de que WIMPs não são a solução para matéria escura que deveríamos estar procurando.“WIMPs emergiram como uma explicação simples, elegante e atraente para um fenômeno complexo,” diz Kolb. “E para cada fenômeno complexo existe uma solução, simples, elegante e atraente que está errada.”

A procura de um milagre

Entre os caçadores de WIMP, porém, o pressuposto operacional é de que eles simplesmente não procuraram o suficiente, diz o representante do LUX, Richard Gaitskell. Por causa das incertezas acerca da massa exata e da força de interação dessas partículas elusivas, o espaço de busca dos WIMPs se estende por oito ordens de magnitude. Se WIMPs foram muito massivos, talvez só tenham um ou dois no espaço de um pulso fechado em um dado momento; se forem muito leves, bilhões devem passar por você a cada segundo. Criar um detector que cerque esse alcance tão vasto é como criar uma rede para pegar uma espécie específica de peixes que variam do tamanho de um glóbulo vermelho para o tamanho de uma cidade ou qualquer tamanho intermediário entre esses dois extremos.  

Gaitskell e outros caçadores de WIMPs apostam que detectores maiores produzirão resultados melhores, e têm planos para uma nova geração de experimentos drasticamente maiores e mais sensíveis. “Eu comecei a procurar há 28 anos com um detector de 10 gramas,” diz Gaitskell. “Hoje, estamos usando um detector que é um terço de tonelada de xenon líquido. E nos próximos 10 ou 15 anos, procuraremos com detectores de 100 toneladas.”

Na falta de evidência empírica de fato para a existência de WIMPs, um único argumento teórico bastante persuasivo de que elas devem existir sustentou os anos de investimento estável nas buscas por essas partículas. Os físicos o chamam de “o milagre WIMP”. O milagre se sustenta em duas pernas especulativas.

A primeira vai até os primeiros instantes do tempo cósmico. Uma extrapolação direta do Modelo Padrão para aquele época primordial sugere que as WIMPs deveriam ter sido produzidas aos montes naquele plasma denso e quente que encheu o universo imediatamente depois do big bang. A maior parte das WIMPs teria colidido umas com as outras e se aniquilado em velocidades relativistas, produzindo partículas ordinárias como resultado. Esse processo teria se enfraquecido à medida que o universo foi expandindo e esfriando, deixando para trás uma relíquia, uma população de WIMPs geladas e lentas. Adicione o conhecido vigor da força fraca, que media o processo, e você poderá calcular quantos WIMPs deveriam existir hoje. A resposta — cerca de cinco vezes mais WIMPs do que matéria ordinária — se alinha com a abundancia de matéria escura observada.

A segunda perna que sustenta o milagre liga as WIMPs com a massa atual do bóson de Higgs. Medido no LHC, a massa dele é cerca de 130 vezes mais pesada do que a do próton, tornando o Higgs uma das partículas mais massivas conhecidas. Ainda assim, os princípios da mecânica quântica sugerem que a massa do Higgs deveria ser instável, interagindo com partículas conhecidas para crescer trilhões de vezes mais. isto é, a menos que seu crescimento esteja sendo cancelado por uma nova partícula fundamental massiva que ainda será descoberta. Essas partículas são uma previsão característica da supersimetria,  uma extensão popular do Modelo Padrão que preenche lacunas teóricas através da postulação de que cada partícula possui uma “super parceira” que a acompanha. Muitas teorias de supersimetria preveem que a super parceira seria uma partícula estável, neutra e fracamente interagente — isto é, uma WIMP. Essa é a partícula fantasma que o LHC vem procurando — e falhando em encontrar — nas suas últimas colisões. “É notável como essas duas linhas de evidência completamente separadas convergem para dizer que essas partículas podem existir e te dar o tipo e a quantidade certa de matéria escura,” diz Neal Weiner, um teórico de matéria escura da Universidade de Nova Iorque. “Esse é o milagre WIMP.”

Nos últimos anos, no entanto, teóricos sugeriram que WIMPs não são tão miraculosos quanto parecem. Em 2008, Jonathan Feng e Jason Kumar, da Universidade da Califórnia, Irvine, mostraram como a supersimetria poderia produzir, também, uma classe hipotética de partículas muito mais leves e fracamente interagentes que WIMPs. “Essas partículas resultam na mesma quantidade de matéria escura que vemos hoje, mas não são WIMPs,” Feng afirma. “Elas chacoalham o debate, porque são igualmente bem motivadas teoricamente. Nós as chamamos de ‘milagre sem WIMP’.”

Os fundamentos teóricos decadentes para os simples modelos de WIMPs, unidos à lista crescente de esforços vazios de detecção, levaram Feng e muitos outros a propor que WIMPs são uma parte de um cenário muito mais complicado: uma nova região escondida de universo cheia de múltiplas variedades de partículas escuras interagindo umas com as outras através de um conjunto de forças escuras, talvez trocando cargas escuras via explosões de luz escura. Porque oferecem mais variedades para serem trabalhadas por teóricos, tais modelos de “setores escuros” podem ser reconciliados para caber em uma camisa de força cada vez mais apertada de fatos colocados na categoria da matéria escura por novos dados.

O lado negativo é que essa flexibilidade torna difícil o teste conclusivo. “Com o setor escuro, você é livre para inventar quase qualquer coisa que quiser,” diz David Spergel, um astrofísico da Universidade de Princeton. “Agora que perdemos a orientação do milagre WIMP, o espaço de modelos disponíveis é enorme. É um playground onde não sabemos quais são as escolhas certas — agora precisamos de mais dicas da natureza quanto a para onde ir.”

Pode ser uma daquelas situações na qual apenas arranhamos a superfície da enorme diversidade de partículas e forças da natureza — focando somente em quarks e fótons porque são tão acessíveis e familiares para nós. Nesse caso nós seriamos “como um  bêbado que só procura suas chaves debaixo de postes de iluminação porque é lá que está a luz,” afirma Weiner. “Existem cenários nos quais apenas não podemos testar com a tecnologia atual. Por outro lado, se você for criativo, talvez possa fazer novos postes de luz.”



As explicações menos cotadas

De todos os outros postes de iluminação conhecidos, poucos, ou talvez nenhum, consegue se encaixar em todos os critérios dos teóricos. Como as WIMPs, alguns desses candidatos à alternativa para matéria escura também possuem fundamentos teóricos atraentes. Sua obscuridade relativa, dizem alguns especialistas, é, em parte, causada pelo fato de não serem tão ricas fenomenologicamente quanto a hipótese das WIMPs, oferecendo menos sinais sedutores e perguntas interessantes para experimentalistas e teóricos buscarem e estudarem.

No ano passado, uma equipe de pesquisadores ganhou o prêmio Nobel por terem descoberto que partículas fantasma de fraca interação, chamadas de neutrinos, vem em três “sabores” e possuem massa. As três variedades de neutrino não são massivas o suficiente para serem responsáveis pela matéria escura, mas só por possuírem massa já abrem possibilidade para a existência de uma quarta variedade — uma massiva, chamada “neutrino estéril.”

“Quase todos os mecanismos geradores de massa de neutrinos requerem a existência de neutrinos estéreis, e seria muito fácil para alguns desses neutrinos estéreis serem responsáveis pela matéria escura,” diz Kevork Abazajian, um teórico da Universidade da Califórnia, em Irvine. Mas nenhuma busca por neutrinos estéreis deu resultado, incluindo a mais sensível já realizada, reportada em agosto por um time utilizando Observatório IceCube Neutrino, na Antártica.

Outro candidato perene a matéria escura é o áxion, uma partícula fracamente interagente hipotética postulada pela primeira vez em 1977 para explicar e resolver assimetrias misteriosas em interações quânticas. Para que os áxions expliquem a matéria escura, eles precisariam ocupar um alcance de massas relativamente curto e ser bem mais leves do que as WIMPs, o que os tornaria ainda mais difíceis de detectar. “Se não acharmos as WIMPs, teóricos apenas mudaram suas apostas para os áxions,” diz Peter Graham, um físico da Universidade de Standford que estuda áxions e outros candidatos a matéria escura.

Além de WIMPs e setores escuros, neutrinos estéreis e áxions, existem ainda mais possibilidades exóticas para a matéria escura, embora elas ocupem as margens da física.

Buracos negros que podem ter sido criados logo após o Bing Bang poderiam constituir a massa escondida do universo, mas eles teriam que existir em tamanha abundância que nós provavelmente já teríamos os descoberto por outros meios. Mesmo assim, nossas buscas por tais buracos negros “primordiais” ainda não foram extensas o suficiente a ponto de podermos excluí-los como fonte de matéria escura. Uma alternativa é que a matéria escura seja uma pegada hiper espacial de partículas zunindo  através de uma dimensão vizinha e escondida — só que nenhuma evidência convincente de dimensões extras emergiu do LHC ou qualquer outro acelerador

Mais chocante, a matéria escura pode ser em boa parte uma ilusão, indicando um erro em nossa compreensão da gravidade baseada na teoria da Relatividade Geral de Eisntein. Várias teorias de “gravidade modificada” que sugerem que a força perderia intensidade em certas circunstâncias poderiam explicar algumas observações - em especial a dinâmica das galáxias - mas elas sofre para dar conta de certos detalhes atribuídos à matéria escura em observações de aglomerados de galáxias e nos momentos posteriores ao Big Bang.

Mas, assim como a maior popularidade das WIMPs sobre os áxions e os neutrinos estéreis, alguns físicos suspeitam que o amplo desgosto com a gravidade modificada tenha mais relação com elementos sociológico da ciência do que com o método científico propriamente. “A gravidade modificada não é bonita aos olhos dos físicos de partículas”, diz Sabine Hossenfelder, do Instituto para Estudos Avançados de Frankfurt. “Inventar novas partículas é o que os físicos de partículas fazem profissionalmente, e é o que eles fazem melhor.”

Independentemente de quaisquer que sejam suas teorias candidatas favoritas, a maior preocupação de muitos físicos da área não é que o próprio tópico venha algum dia a ser considerado como inválido ou equivocado - a evidência observacional para a matéria escura é colossal. Ao invés, eles se preocupam que a resposta certa se mostre irrelevante para desvendar outros grandes mistérios da física, e não traga novos caminhos para compreender a verdadeira natureza da realidade.

“O desejo é que a matéria escura não apenas exista, mas que ela também solucione alguns grandes problemas que existem no modelo padrão”, diz Jesse Thaler, físico do MIT. “ Nem toda descoberta pode ser uma revelação como o Higgs, onde vearias teorias de repente se encaixam muito melhor. Algumas vezes as novas partículas fazem você dizer ‘para que isso?’. Nós vivemos num universo onde cada descoberta leva a insights mais profundos e fundamentais, ou num que possui certas partes que fazem sentido e outras não? A matéria escura muitas vezes oferece ambas as possibilidades.”



Lee Billings 

 

Veja também: 

- Esperança de nova partícula se desfaz no LHC 


- Alta ansiedade na física de partículas  

- Físicos abandonam a Supersimetria 

 

 

Para assinar a revista Scientific American Brasil e ter acesso a mais conteúdo, visite: http://bit.ly/1N7apWq