- Uma teoria propõe um reino físico oculto com suas próprias versões de partículas e forças que deram origem a pequenos objetos semelhantes a buracos negros, os quais seriam responsáveis por toda a matéria escura observada atualmente.
- A outra teoria explora se a matéria escura poderia ser um produto da própria expansão do universo, criada pela radiação quântica próxima ao horizonte cósmico durante uma fase breve, mas intensa, pós-inflacionária.
- Ambas as teorias oferecem estruturas testáveis e autossuficientes baseadas na física conhecida, continuando o legado da UC Santa Cruz de conectar a teoria de partículas com fenômenos em escala cósmica para abordar um dos maiores mistérios da ciência.
Dois estudos recentes do Professor Stefano Profumo da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, propõem teorias que tentam responder a uma das questões fundamentais não resolvidas na física moderna: Qual é a natureza das partículas da matéria escura?
A ciência produziu evidências esmagadoras de que a substância misteriosa que representa 80% de toda a matéria no universo existe. A presença da matéria escura explica o que mantém as galáxias unidas e as faz girar. Descobertas como a estrutura em grande escala do universo e medições do fundo cósmico de micro-ondas também comprovam que algo ainda indeterminado permeia toda aquela escuridão.
O que permanece desconhecido são as origens da matéria escura, e, portanto, quais são suas propriedades de partículas. Essas questões importantes cabem principalmente a físicos teóricos como Profumo. Em dois artigos recentes, ele aborda essas questões a partir de direções diferentes, mas ambas centradas na ideia de que a matéria escura pode ter emergido naturalmente das condições do universo primitivo — em vez de a matéria escura ser uma partícula exótica nova que interage com a matéria comum de alguma forma detectável.
Origens sombrias
O estudo mais recente, publicado em 8 de julho, investiga se a matéria escura poderia ter se formado em um setor oculto — uma espécie de “mundo espelho” com suas próprias versões de partículas e forças. Embora completamente invisível aos humanos, esse setor sombrio obedeceria a muitas das mesmas leis físicas que o universo conhecido.
A ideia se inspira na cromodinâmica quântica (QCD), a teoria que descreve como quarks estão ligados dentro de prótons e nêutrons pela força nuclear forte. A UC Santa Cruz tem profundas raízes nessa área: o professor emérito de física Michael Dine ajudou a pioneirar modelos teóricos envolvendo o axion da QCD, um dos principais candidatos à matéria escura, enquanto o professor de pesquisa Abe Seiden contribuiu para grandes esforços experimentais que investigam a estrutura de hádrons — partículas feitas de quarks — em experimentos de física de altas energias.
No novo trabalho de Profumo, a força forte é replicada no setor escuro como uma teoria de “QCD escura” confinatória, com suas próprias partículas — quarks escuros e glúons escuros — se unindo para formar partículas compostas pesadas conhecidas como bárions escuros. Sob certas condições no universo primitivo, esses bárions escuros poderiam se tornar densos e massivos o suficiente para colapsar sob sua própria gravidade em buracos negros extremamente pequenos e estáveis — ou objetos que se comportam muito semelhantes a buracos negros.
Esses remanescentes semelhantes a buracos negros teriam apenas algumas vezes a massa fundamental da escala da gravidade quântica — conhecida como a ‘massa de Planck’ — mas, se produzidos na quantidade certa, poderiam contabilizar toda a matéria escura observada hoje. Como interagiriam apenas através da gravidade, seriam completamente invisíveis para detectores de partículas — no entanto, sua presença moldaria o universo nas maiores escalas.
Esse cenário oferece uma nova estrutura testável ancorada em uma física bem estabelecida, enquanto expande a exploração de longa data da UC Santa Cruz sobre como princípios teóricos profundos podem ajudar a explicar uma das maiores questões em aberto na cosmologia.
No horizonte
O outro estudo recente de Profumo, publicado em maio, explora se a matéria escura poderia ser produzida pelo “horizonte cósmico” em expansão do universo — essencialmente, o equivalente cosmológico ao horizonte de eventos de um buraco negro.
Este artigo pergunta se, se o universo passou por um breve período de expansão acelerada após a inflação — algo menos extremo do que a inflação, mas ainda em expansão mais rápida do que a radiação ou a matéria permitiriam — poderia essa fase ter “irrompido” partículas em existência?
Usando princípios da teoria quântica de campos em espaço-tempo curvado, o artigo mostra que uma ampla gama de massas de matéria escura poderia resultar desse mecanismo, dependendo da temperatura e duração dessa fase. Importante, Profumo disse que isso não requer nenhuma suposição sobre como a matéria escura interage, apenas que seja estável e produzida gravitacionalmente. A ideia é inspirada pela maneira como observadores próximos a horizontes cósmicos, como os de um buraco negro, percebem radiação térmica devido a efeitos quânticos.
“Ambos os mecanismos são altamente especulativos, mas oferecem cenários autossuficientes e calculáveis que não dependem de modelos convencionais de matéria escura de partículas, que estão cada vez mais sob pressão de resultados experimentais nulos”, disse Profumo, vice-diretor de teoria do Instituto de Física de Partículas de Santa Cruz.
Pode-se dizer que Profumo escreveu o livro sobre a busca para entender a natureza da matéria escura. Seu livro didático de 2017 Uma Introdução à Matéria Escura de Partículas apresenta lições que ele aprendeu pessoalmente e utilizou em seu trabalho de pesquisa a partir de técnicas de ponta que os cientistas desenvolveram ao longo dos anos para construir e testar modelos de partículas para a matéria escura.
O livro descreve o “paradigma da matéria escura” como “um dos principais desenvolvimentos na interface entre cosmologia e física de partículas elementares”, e destina-se a qualquer um interessado na natureza microscópica da matéria escura, conforme ela se manifesta em experimentos de física de partículas, observações cosmológicas e fenômenos astrofísicos de altas energias.
Conexão com a UC Santa Cruz
Pesquisadores aqui desempenham um papel fundamental na cosmologia há décadas, contribuindo para o desenvolvimento do modelo padrão Lambda-Matéria Escura Fria — que ainda é a melhor adequação a todos os dados cosmológicos — e para o estudo teórico e observacional de como a estrutura se forma no universo. Além disso, a UC Santa Cruz sempre apoiou uma estreita interação entre teoria e observação, com pontos fortes em física de partículas, astrofísica e cosmologia do universo primitivo.
Profumo disse que essas publicações recentes continuam nessa tradição, explorando ideias que conectam as questões mais profundas da física de partículas com o comportamento em grande escala do cosmos. “E o fazem de uma maneira que permanece enraizada na física conhecida — seja na teoria quântica de campos em espaço-tempo curvado, ou nas propriedades bem estudadas de teorias de gauge SU(N) — enquanto as estende a novas fronteiras”, disse ele.
Ambos os estudos foram publicados na Physical Review D, o principal veículo da Sociedade Americana de Física para a física teórica de partículas.
