A busca intensiva e mundial por matéria escura, a massa que falta no universo, tem falhado até agora em encontrar uma abundância de estrelas escuras e maciças ou escamas de estranhas partículas novas e fracamente interagindo, mas um novo candidato está lentamente ganhando seguidores e apoio observacional.

Called SIMPs – partículas maciças fortemente interagindo – foram propostos há três anos pela Universidade da Califórnia, pelo físico teórico de Berkeley Hitoshi Murayama, professor de física e diretor do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU), no Japão, e pelo ex-cub Berkeley postdoc Yonit Hochberg, agora na Universidade Hebraica em Israel.

Murayama diz que observações recentes de uma pilha galáctica próxima poderiam ser evidência para a existência de SIMPs, e ele antecipa que experimentos futuros de física de partículas irão descobrir um deles.

Murayama discutiu suas últimas idéias teóricas sobre SIMPs e como as galáxias em colisão apóiam a teoria em uma palestra convidada em dezembro. 4 no 29th Texas Symposium on Relativistic Astrophysics na Cidade do Cabo, África do Sul.

Astrônomos calcularam que a matéria escura, embora invisível, compõe cerca de 85% da massa do universo. A evidência mais sólida para a sua existência é o movimento das estrelas dentro das galáxias: Sem uma mancha invisível de matéria negra, as galáxias voariam separadas. Em algumas galáxias, as estrelas visíveis são tão raras que a matéria escura compõe 99,9% da massa da galáxia.

Os teóricos pensaram primeiro que esta matéria invisível era apenas matéria normal muito fraca para ver: estrelas fracassadas chamadas anãs marrons, estrelas queimadas ou buracos negros. No entanto, os chamados objetos compactos de auréola maciça – MACHOs – escaparam à descoberta, e no início deste ano um levantamento da galáxia Andrómeda pelo Telescópio Subaru basicamente descartou qualquer população significativa não descoberta de buracos negros. Os pesquisadores procuraram por buracos negros que sobraram do universo muito cedo, os chamados buracos negros primordiais, procurando por brilhos repentinos produzidos quando eles passam diante das estrelas de fundo e agem como uma lente fraca. Eles encontraram exatamente um – muito poucos para contribuir significativamente para a massa da galáxia.

“Esse estudo praticamente eliminou a possibilidade de MACHOs; eu diria que praticamente desapareceu”, disse Murayama.

WIMPs – partículas maciças pouco interativas – não se deram melhor, apesar de terem sido o foco da atenção dos pesquisadores por várias décadas. Elas devem ser relativamente grandes – cerca de 100 vezes mais pesadas que o próton – e interagir tão raramente umas com as outras que são chamadas de “fracamente” interagindo. Pensava-se que interagiam mais frequentemente com matéria normal através da gravidade, ajudando a atrair matéria normal para tufos que crescem em galáxias e eventualmente desovam estrelas.

SIMPs interagem entre si, mas não com outros

SIMPs, como WIMPs e MACHOs, teoricamente teriam sido produzidos em grandes quantidades no início da história do universo e desde então têm arrefecido até à temperatura cósmica média. Mas ao contrário dos WIMPs, os SIMPs são teorizados para interagir fortemente com eles mesmos via gravidade, mas muito fracamente com a matéria normal. Uma possibilidade proposta por Murayama é que um SIMP é uma nova combinação de quarks, que são os componentes fundamentais de partículas como o próton e o nêutron, chamados bariões. Enquanto protões e neutrões são compostos por três quarks, um SIMP seria mais como um pioneiro em conter apenas dois: um quark e um antiquark.

O SIMP seria menor que um WIMP, com um tamanho ou secção transversal como a de um núcleo atómico, o que implica que há mais deles do que haveria WIMPs. Números maiores significariam que, apesar de sua fraca interação com a matéria normal – principalmente pela dispersão da mesma, em oposição à fusão ou decomposição em matéria normal – eles ainda deixariam uma impressão digital em matéria normal, disse Murayama.

Ele vê tal impressão digital em quatro galáxias em colisão dentro do aglomerado Abell 3827, onde, surpreendentemente, a matéria escura parece ficar atrás da matéria visível. Isto poderia ser explicado, disse ele, pelas interações entre a matéria escura em cada galáxia que retarda a fusão da matéria escura, mas não a da matéria normal, basicamente estrelas.

“Uma maneira de entender porque a matéria escura está atrasada em relação à matéria luminosa é que as partículas de matéria escura realmente têm tamanho finito, elas se espalham umas contra as outras, então quando elas querem se mover em direção ao resto do sistema elas são empurradas para trás”, disse Murayama. “Isto explicaria a observação. Esse é o tipo de coisa prevista pela minha teoria de que a matéria escura é um estado vinculado de novos tipos de quarks”

SIMPs também superam uma grande falha da teoria do WIMP: a capacidade de explicar a distribuição da matéria escura em pequenas galáxias.

“Tem havido este enigma de longa data: se você olhar para as galáxias anãs, que são muito pequenas com poucas estrelas, elas são realmente dominadas pela matéria escura. E se você passar por simulações numéricas de como a matéria escura se aglomera, elas sempre prevêem que há uma enorme concentração em direção ao centro. Uma cúspide”, disse Murayama. “Mas as observações parecem sugerir que a concentração é mais plana: um núcleo em vez de uma cúspide. O problema do núcleo/cúspide tem sido considerado um dos maiores problemas com a matéria escura que não interage a não ser pela gravidade”. Mas se a matéria escura tem um tamanho finito, como um SIMP, as partículas podem ‘tilintar’ e se dispersar, e isso realmente achataria o perfil de massa em direção ao centro. Essa é outra ‘evidência’ para esse tipo de idéia teórica”

Processos contínuos de WIMPs e axiônios

Processos terrestres para procurar SIMPs estão sendo planejados, principalmente em aceleradores como o Grande Colisor de Hadron no CERN em Genebra, onde os físicos estão sempre procurando por partículas desconhecidas que se encaixam em novas previsões. Outro experimento no Colisor Linear Internacional planejado no Japão também poderia ser usado para procurar por SIMPs.

Como Murayama e seus colegas refinam a teoria dos SIMPs e procuram formas de encontrá-los, a busca por WIMPs continua. A grande experiência de matéria negra subterrânea Xenon (LUX) em uma mina subterrânea no Dakota do Sul estabeleceu limites rigorosos para o aspecto de um WIMP, e uma experiência melhorada chamada LZ irá empurrar esses limites ainda mais. Daniel McKinsey, um professor de física da UC Berkeley, é um dos co-promissores desse experimento, trabalhando em conjunto com o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, onde Murayama é um cientista sênior da faculdade.

Físicos também estão procurando outros candidatos à matéria negra que não sejam WIMPs. Os professores da UC Berkeley estão envolvidos em duas experiências à procura de uma partícula hipotética chamada axiônio, que pode se encaixar nos requisitos para a matéria escura. A Experiência Cósmica de Spin-Precession (CASPEr), liderada por Dmitry Budker, um professor emérito de física que está agora na Universidade de Mainz na Alemanha, e o teórico Surjeet Rajendran, um professor de física da UC Berkeley, está planejando procurar por perturbações no spin nuclear causadas por um campo de axiônios. Karl van Bibber, um professor de engenharia nuclear, desempenha um papel fundamental no eXperimento Axion Dark Matter – High Frequency (ADMX-HF), que procura detectar axions dentro de uma cavidade de microondas dentro de um campo magnético forte à medida que se convertem em fótons.

“Claro que não devemos abandonar a procura de WIMPs”, disse Murayama, “mas os limites experimentais estão ficando muito, muito importantes. Uma vez que você chega ao nível de medida, onde estaremos num futuro próximo, até mesmo os neutrinos acabam sendo o pano de fundo do experimento, o que é inimaginável”.

Neutrinos interagem tão raramente com a matéria normal que estima-se que 100 trilhões voam através de nossos corpos a cada segundo sem que percebamos, algo que os torna extremamente difíceis de detectar.

“O consenso da comunidade é meio que, não sabemos até onde precisamos ir, mas pelo menos precisamos descer a este nível”, acrescentou ele. “Mas como definitivamente não há sinais de WIMPs aparecendo, as pessoas estão começando a pensar mais amplamente hoje em dia”. Vamos parar e pensar sobre isso novamente”.