Publicado no Universe Today
A matéria escura continua a resistir aos nossos melhores esforços para capturá-la. Enquanto a matéria escura continua sendo uma teoria dominante da cosmologia, e há muitas evidências para apoiar um universo cheio de matéria escura fria, cada busca por partículas de matéria escura não produz nada. Um novo estudo continua essa tradição, excluindo uma série de candidatos à matéria escura.
O que sabemos sobre interações com matéria escura. Crédito: Instituto Perimeter
Se partículas de matéria escura existem, sabemos que elas não podem interagir fortemente com a luz. Eles devem interagir gravitacionalmente, e eles podem interagir através das forças nucleares fortes e fracas também. Também sabemos que não podem ser partículas altamente massivas. Se fossem, decairia ao longo do tempo em partículas mais leves, e vemos poucas evidências disso. Isso deixa três grandes candidatos: pequenos buracos negros, neutrinos estéreis, ou algum tipo de bóson leve. Este último trabalho se concentra na terceira opção.
Uma tabela de partículas supersimétricas. Crédito: Claire David / CERN
Partículas elementares conhecidas da matéria podem ser colocadas em uma das duas categorias: férmions e bósons. Assim, elétrons, quarks e neutrinos são férmions, enquanto fótons e glúons são bósons. Dentro do modelo padrão da física de partículas, não há bósons que se encaixassem na conta da matéria escura. Mas alguns modelos alternativos prevêem partículas que podem ser matéria escura. Modelos de supersimetria, por exemplo, prevêem que todo férmion conhecido deve ter um bóson correspondente e vice-versa. Assim, o elétron teria um bóson de contraparte conhecido como seletor, o fóton teria um férmion contraparte conhecido como photino, e assim por diante. Outra possibilidade são os axions, que foram propostos em 1977 para abordar aspectos sutis de como os quarks interagem.
Tanto os axions quanto as partículas de supersimetria podem ser bósons de baixa massa e satisfariam as necessidades da matéria escura. Mas se existem, não foram encontrados até agora. Ainda assim, esses bósons leves interagiriam com a matéria regular gravitacionalmente, daí este último estudo.
Se a matéria escura é feita de bósons claros, então essas partículas se espalhariam pelo universo, incluindo buracos quase negros. Um buraco negro capturaria gravitacionalmente bósons próximos, aumentando assim sua massa. Se um buraco negro está girando, a captura de partículas de matéria escura também tenderia a diminuir sua rotação. Você pode imaginar crianças em um playground que tem um carrossel. Se as crianças pularem para o carrossel enquanto ele está girando, o carrossel diminuirá ligeiramente por causa da massa adicionada. O mesmo valeria para os buracos negros.
Em outras palavras, os bósons da matéria escura limitariam a taxa que os buracos negros giram. A equipe percebeu que os bósons mais pesados limitariam mais os buracos negros, e os bósons mais leves os restringiriam menos. Então eles olharam para os dados ligo e virgem de fusões de buracos negros, o que nos diz a taxa de rotação de buracos negros antes de se fundirem. Acontece que alguns desses buracos negros giravam tão rapidamente que exclui a existência de bósons de matéria escura ultra-clara. Com base neste estudo, a matéria escura não pode ser axions ou partículas de supersimetria leve.
Então, mais uma vez, uma busca pela matéria escura nos mostrou não o que é matéria escura, mas o que não é. É extremamente frustrante, e potencialmente emocionante porque estamos ficando sem opções para matéria escura.
Referência: Ng, Ken KY, et al. "Restrições em Ultralight Scalar Bosons dentro de Medições de Giro de Buraco Negro do LIGO-Virgo GWTC-2." Revisão Física Cartas 126.15 (2021): 151102.