A Matéria Escura continua a ser um dos maiores mistérios da física fundamental. Muitas propostas teóricas (axions, WIMPs) e 40 anos de extensivas buscas experimentais não conseguiram fornecer qualquer explicação sobre a natureza da Matéria Escura. Alguns anos atrás, em uma teoria que unifica a física de partículas e a gravidade, foram propostos novos candidatos a Matéria Escura, os gravitinos carregados superpesados. Um artigo muito recente na Physical Review Research, escrito por cientistas da Universidade de Varsóvia e do Instituto Max Planck de Física Gravitacional, mostra como novos detectores subterrâneos, em particular o detector JUNO que começará em breve a coletar dados, embora projetado para física de neutrinos, também é extremamente adequado para eventualmente detectar gravitinos carregados de Matéria Escura. As simulações que combinam duas áreas, física de partículas elementares e química quântica avançada, mostram que o sinal do gravitino no detector deve ser único e inconfundível.
Em 1981, Murray Gell-Mann, laureado com o Prêmio Nobel pela introdução dos quarks como constituintes fundamentais da matéria, percebeu o intrigante fato de que as partículas do Modelo Padrão, quarks e léptons, estão contidas em uma teoria formulada puramente de forma matemática dois anos antes, a supergravidade N=8, caracterizada por sua simetria máxima. A supergravidade N=8 contém, além das partículas de matéria do Modelo Padrão de spin 1/2, também uma parte gravitacional: o gráviton (de spin 2) e 8 gravitinos de spin 3/2. Se o Modelo Padrão está de fato relacionado à supergravidade N=8, essa relação pode apontar para um caminho para resolver o problema mais difícil da física teórica fundamental – unificar a gravidade com a física de partículas. A supergravidade N=8 no setor de spin ½ contém exatamente 6 quarks (u, d, c, s, t, b) e 6 léptons (elétron, múon, tau e neutrinos) e proíbe a presença de qualquer outra partícula de matéria. Após 40 anos de intensa pesquisa em aceleradores sem descobrir novas partículas de matéria, o conteúdo de matéria da supergravidade N=8 não só é consistente com nosso conhecimento, mas permanece como a única explicação teórica conhecida do número de quarks e léptons no Modelo Padrão! No entanto, a conexão direta da supergravidade N=8 com o Modelo Padrão apresentava várias desvantagens, sendo a principal que as cargas elétricas dos quarks e léptons eram deslocadas em ±1/6 em relação aos valores conhecidos, por exemplo, o elétron tinha carga -5/6 em vez de -1. Alguns anos atrás, Krzysztof Meissner, da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, Polônia, e Hermann Nicolai, do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein/AEI), Potsdam, Alemanha, retornaram à ideia de Gell-Mann e foram capazes de ir além da supergravidade N=8 e modificar a proposta original, obtendo as cargas elétricas corretas das partículas de matéria do Modelo Padrão. A modificação é muito longeva, apontando para uma simetria infinita K(E10), pouco conhecida matematicamente e substituindo as simetrias usuais do Modelo Padrão.
Um dos resultados surpreendentes da modificação, descritos em artigos na Physical Review Letters e na Physical Review, é o fato de que os gravitinos, presumivelmente de massa extremamente grande perto da escala de Planck, ou seja, bilhões de bilhões de massas de prótons, são eletricamente carregados: 6 deles têm carga ±1/3 e 2 têm ±2/3. Os gravitinos, embora sejam extremamente massivos, não podem decair uma vez que não há partículas nas quais possam decair. Portanto, Meissner e Nicolai propuseram que 2 gravitinos com cargas ±2/3 (os outros 6 têm abundância muito menor) poderiam ser partículas de Matéria Escura de um tipo muito diferente de qualquer coisa proposta até agora. Ou seja, os candidatos normalmente divulgados, seja extremamente leves como os axions ou de massa intermediária (próton) como os WIMPs (partículas massivas fracamente interagentes), eram eletricamente neutros, de acordo com o nome ‘Matéria Escura’. No entanto, após mais de 40 anos de busca intensiva por muitos métodos e dispositivos diferentes, nenhuma nova partícula além do Modelo Padrão foi detectada.
No entanto, os gravitinos apresentam uma nova alternativa. Embora sejam eletricamente carregados, podem ser candidatos a Matéria Escura porque, sendo tão massivos, são extremamente raros e, portanto, observacionalmente ‘não brilham no céu’ e evitam as restrições muito rigorosas sobre a carga dos constituintes da Matéria Escura. Além disso, a carga elétrica dos gravitinos sugere uma maneira completamente diferente de tentar provar sua existência. O artigo original de 2024 na Eur. Phys. J. por Meissner e Nicolai apontou que detectores de neutrinos, baseados em cintiladores diferentes da água, poderiam ser adequados para a detecção de gravitinos de Matéria Escura. Contudo, a busca é enormemente dificultada por sua raridade extrema (presumivelmente apenas um gravitino por 10.000 km³ no Sistema Solar), razão pela qual não há perspectiva de detecção com os detectores atualmente disponíveis. No entanto, novos grandes detectores subterrâneos de óleo ou argônio líquido estão sendo construídos ou planejados e possibilidades realistas para a busca por essas partículas estão agora se abrindo.
Entre todos os detectores, o Observatório Subterrâneo de Neutrinos de Jiangmen (JUNO), atualmente em construção na China, parece predestinado para tal busca. Ele tem como objetivo determinar as propriedades dos neutrinos (na verdade antineutrinos), mas como os neutrinos interagem extremamente fracamente com a matéria, os detectores devem ter volumes muito grandes. No caso do detector JUNO, isso significa 20.000 toneladas de um líquido semelhante a óleo sintético orgânico, comumente usado na indústria química, com adições especiais, em um recipiente esférico com diâmetro de aproximadamente 40 metros e mais de 17 mil fotomultiplicadores ao redor da esfera. O JUNO está programado para começar medições na segunda metade de 2025.
O artigo recentemente publicado na Physical Review Research por Meissner e Nicolai, com os colaboradores Adrianna Kruk e Michal Lesiuk da Faculdade de Química da Universidade de Varsóvia, apresenta uma análise detalhada das assinaturas específicas que os eventos causados por gravitinos poderiam produzir no JUNO e em futuros detectores de argônio líquido, como o Experimento de Neutrinos Profundos (DUNE) nos Estados Unidos. O artigo descreve não apenas o contexto teórico, tanto do lado da física quanto da química, mas também simulações muito detalhadas das possíveis assinaturas em função da velocidade e trajetória de um gravitino viajando através do recipiente de óleo. Isso exigiu um conhecimento muito avançado de química quântica e cálculos intensivos que consomem tempo de CPU. As simulações tiveram que levar em conta muitas possíveis interferências – decaimento de C14 radioativo presente no óleo, taxa de contagem escura e eficiência dos fotomultiplicadores, absorção de fótons no óleo, etc. As simulações mostram que, com o software apropriado, a passagem de um gravitino pelo detector deixará um sinal único que é impossível de ser confundido com a passagem de qualquer uma das partículas atualmente conhecidas. A análise estabelece novos padrões em termos de interdisciplinaridade, combinando duas áreas de pesquisa diferentes: física de partículas elementares teórica e experimental, por um lado, e métodos muito avançados da química quântica moderna, por outro.
A detecção dos superpesados gravitinos seria um grande avanço na busca por uma teoria unificada da gravidade e das partículas. Uma vez que se prevê que os gravitinos tenham massas na ordem da massa de Planck, sua detecção seria a primeira indicação direta da física próxima à escala de Planck e poderia, assim, fornecer evidências experimentais valiosas para uma unificação de todas as forças da natureza.