p Na busca pela misteriosa matéria escura, os físicos usaram elaborados cálculos de computador para chegar a um esboço das partículas dessa forma desconhecida de matéria. Para fazer isso, os cientistas estenderam o modelo padrão bem-sucedido da física de partículas que lhes permitiu, entre outras coisas, para prever a massa dos chamados axions, candidatos promissores para matéria escura. A equipe germano-húngara de pesquisadores liderada pelo professor Zoltán Fodor, da Universidade de Wuppertal, A Universidade Eötvös em Budapeste e Forschungszentrum Jülich realizaram seus cálculos no supercomputador de Jülich JUQUEEN (BlueGene / Q) e apresentam seus resultados na revista Natureza . p "A matéria escura é uma forma invisível de matéria que até agora só se revelou através de seus efeitos gravitacionais. O que ela consiste permanece um mistério completo, "explica o co-autor Dr. Andreas Ringwald, quem trabalha no DESY e quem propôs a pesquisa atual. A evidência da existência desta forma de matéria vem, entre outras coisas, da observação astrofísica de galáxias, que giram muito rapidamente para serem mantidos juntos apenas pela atração gravitacional da matéria visível. Medições de alta precisão usando o satélite europeu "Planck" mostram que quase 85 por cento de toda a massa do universo consiste em matéria escura. Todas as estrelas, planetas, nebulosas e outros objetos no espaço que são feitos de matéria convencional representam não mais do que 15% da massa do universo.

p “O adjetivo 'escuro' não significa simplesmente que não emite luz visível, "diz Ringwald." Ele não parece emitir nenhum outro comprimento de onda - sua interação com os fótons deve ser muito fraca, de fato. "Por décadas, os físicos têm procurado partículas desse novo tipo de matéria. O que está claro é que essas partículas devem estar além do modelo padrão da física de partículas, e embora esse modelo seja extremamente bem-sucedido, atualmente, descreve apenas os 15% convencionais de toda a matéria do cosmos. De extensões teoricamente possíveis ao Modelo Padrão, os físicos não apenas esperam uma compreensão mais profunda do universo, mas também pistas concretas em que faixa de energia vale a pena procurar candidatos à matéria escura.

p A forma desconhecida da matéria pode consistir em relativamente poucos, mas partículas muito pesadas, ou de um grande número de leves. As buscas diretas por candidatos de matéria escura pesada usando grandes detectores em laboratórios subterrâneos e a busca indireta por eles usando grandes aceleradores de partículas ainda estão em andamento, mas não descobrimos nenhuma partícula de matéria escura até agora. Uma série de considerações físicas tornam as partículas extremamente leves, apelidados de axions, candidatos muito promissores. Usando configurações experimentais inteligentes, pode até ser possível detectar evidências diretas deles. "Contudo, para encontrar este tipo de evidência, seria extremamente útil saber que tipo de massa estamos procurando, "enfatiza o físico teórico Ringwald." Caso contrário, a busca pode levar décadas, porque seria necessário examinar um intervalo muito grande. "

p A existência de axions é prevista por uma extensão à cromodinâmica quântica (QCD), a teoria quântica que governa a interação forte, responsável pela força nuclear. A forte interação é uma das quatro forças fundamentais da natureza ao lado da gravitação, eletromagnetismo e a força nuclear fraca, que é responsável pela radioatividade. "Considerações teóricas indicam que existem as chamadas flutuações quânticas topológicas na cromodinâmica quântica, que deve resultar em uma violação observável da simetria de reversão do tempo, "explica Ringwald. Isso significa que certos processos devem ser diferentes, dependendo se estão sendo executados para frente ou para trás. No entanto, nenhum experimento até agora conseguiu demonstrar esse efeito.

p A extensão para cromodinâmica quântica (QCD) restaura a invariância das reversões do tempo, mas, ao mesmo tempo, prevê a existência de uma partícula de interação muito fraca, o axion, cujas propriedades, em particular sua massa, dependem da força das flutuações quânticas topológicas. Contudo, são necessários supercomputadores modernos como o JUQUEEN de Jülich para calcular o último na faixa de temperatura que é relevante para prever a contribuição relativa dos áxions para a matéria que constitui o universo. "Além do mais, tivemos que desenvolver novos métodos de análise para atingir a faixa de temperatura necessária, "observa Fodor, que liderou a pesquisa.

p Os resultados mostram, entre outras coisas, que se axions constituem a maior parte da matéria escura, eles devem ter uma massa de 50 a 1.500 microeletronvolts, expressa nas unidades habituais da física de partículas, e, portanto, ser até dez bilhões de vezes mais leve do que os elétrons. Isso exigiria que cada centímetro cúbico do universo contivesse em média dez milhões dessas partículas ultraleves. A matéria escura não está espalhada uniformemente no universo, Contudo, mas forma aglomerados e ramificações de uma rede semelhante à da web. Por causa disso, nossa região local da Via Láctea deve conter cerca de um trilhão de axions por centímetro cúbico.

p Graças ao supercomputador Jülich, os cálculos agora fornecem aos físicos uma gama concreta em que sua busca por áxions é provavelmente mais promissora. “Os resultados que estamos apresentando provavelmente levarão a uma corrida para descobrir essas partículas, "diz Fodor. A descoberta deles não resolveria apenas o problema da matéria escura no universo, mas, ao mesmo tempo, responda à pergunta por que a interação forte é tão surpreendentemente simétrica com respeito à reversão do tempo. Os cientistas esperam que seja possível nos próximos anos confirmar ou descartar experimentalmente a existência de axions.

p O Instituto de Pesquisa Nuclear da Academia Húngara de Ciências em Debrecen, o Grupo de Pesquisa em Teoria de Calibre de Malha de Lendület na Universidade Eötvös, a Universidade de Zaragoza na Espanha, e o Instituto Max Planck de Física de Munique também estiveram envolvidos na pesquisa.