O intensivo, pesquisa mundial por matéria escura, a massa que falta no universo, até agora não conseguiu encontrar abundância de escuridão, estrelas massivas ou montes de novas partículas estranhas de interação fraca, mas um novo candidato está aos poucos ganhando seguidores e apoio de observação.

Chamados SIMPs - partículas massivas de forte interação - foram propostos há três anos pela Universidade da Califórnia, Hitoshi Murayama, físico teórico de Berkeley, professor de física e diretor do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU) no Japão, e o ex-pós-doutorado da UC Berkeley Yonit Hochberg, agora na Universidade Hebraica em Israel.

Murayama diz que observações recentes de um empilhamento galáctico próximo podem ser evidências da existência de SIMPs, e ele antecipa que futuros experimentos de física de partículas descobrirão um deles.

Murayama discutiu suas últimas ideias teóricas sobre SIMPs e como as galáxias em colisão apoiam a teoria em uma palestra convidada em 4 de dezembro no 29º Simpósio do Texas sobre Astrofísica Relativística na Cidade do Cabo, África do Sul.

Os astrônomos calcularam que a matéria escura, enquanto invisível, compõe cerca de 85 por cento da massa do universo. A evidência mais sólida de sua existência é o movimento das estrelas dentro das galáxias:sem uma bolha invisível de matéria escura, galáxias se separariam. Em algumas galáxias, as estrelas visíveis são tão raras que a matéria escura representa 99,9% da massa da galáxia.

Os teóricos primeiro pensaram que esta matéria invisível era apenas matéria normal muito obscura para ver:estrelas falidas chamadas anãs marrons, estrelas ou buracos negros queimados. No entanto, os chamados objetos halo compactos massivos - MACHOs - escaparam à descoberta, e no início deste ano uma pesquisa da galáxia de Andrômeda pelo telescópio Subaru basicamente descartou qualquer população significativa de buracos negros não descoberta. Os pesquisadores procuraram por buracos negros que sobraram do universo primordial, os chamados buracos negros primordiais, procurando por brilhos repentinos produzidos quando eles passam na frente de 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 acabou, "Murayama disse.

WIMPs - partículas massivas de interação fraca - não se saíram melhor, apesar de ser o foco das atenções dos pesquisadores há várias décadas. Eles devem ser relativamente grandes - cerca de 100 vezes mais pesados ​​que o próton - e interagir tão raramente entre si que são denominados de interação "fraca". Eles foram pensados ​​para interagir mais frequentemente com a matéria normal por meio da gravidade, ajudando a atrair matéria normal para aglomerados que crescem em galáxias e, eventualmente, geram estrelas.

SIMPs interagem entre si, mas não outros

SIMPs, como WIMPs e MACHOs, teoricamente, teria sido produzido em grandes quantidades no início da história do universo e, desde então, teria sido resfriado à temperatura cósmica média. Mas, ao contrário dos WIMPs, Os SIMPs são teorizados para interagir fortemente com eles mesmos por meio da 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 bárions. Considerando que prótons e nêutrons são compostos de três quarks, um SIMP seria mais como um píon por conter apenas dois:um quark e um antiquark.

O SIMP seria menor do que um WIMP, com um tamanho ou seção transversal como a de um núcleo atômico, o que implica que há mais deles do que haveria WIMPs. Números maiores significariam que, apesar de sua interação fraca com a matéria normal - principalmente por dispersão dela, em vez de se fundir ou se decompor em matéria normal - eles ainda deixariam uma impressão digital na matéria normal, Murayama disse.

Ele vê essa impressão digital em quatro galáxias em colisão dentro do aglomerado Abell 3827, Onde, surpreendentemente, a matéria escura parece ficar para trás da matéria visível. Isso poderia ser explicado, ele disse, por 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 por que a matéria escura está ficando para trás em relação à matéria luminosa é que as partículas de matéria escura na verdade têm tamanho finito, eles se espalham uns contra os outros, então, quando eles querem se mover em direção ao resto do sistema, eles são empurrados para trás, "Murayama disse." Isso explicaria a observação. Esse é o tipo de coisa prevista pela minha teoria de que a matéria escura é um estado limitado de novos tipos de quarks. "

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

"Existe um quebra-cabeça de longa data:se você olhar para as galáxias anãs, que são muito pequenos com poucas estrelas, eles são realmente dominados pela matéria escura. E se você passar por simulações numéricas de como a matéria escura se aglomera, eles sempre prevêem que há uma grande concentração em direção ao centro. Uma cúspide, "Murayama disse." Mas as observações parecem sugerir que a concentração é mais plana:um núcleo em vez de uma cúspide. O problema do núcleo / cúspide foi considerado um dos principais 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 ir 'tilintar' e se dispersar, e isso realmente achataria o perfil de massa em direção ao centro. Essa é outra peça de 'evidência' para este tipo de ideia teórica. "

Pesquisas em andamento para WIMPs e axions

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

Enquanto Murayama e seus colegas refinam a teoria dos SIMPs e procuram maneiras de encontrá-los, a busca por WIMPs continua. O experimento de matéria escura Large Underground Xenon (LUX) em uma mina subterrânea em Dakota do Sul estabeleceu limites rígidos sobre a aparência de um WIMP, e um experimento atualizado chamado LZ vai empurrar esses limites ainda mais. Daniel McKinsey, um professor de física da UC Berkeley, é um dos co-porta-vozes deste experimento, trabalhando em estreita colaboração com o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, onde Murayama é um cientista sênior do corpo docente.

Os físicos também estão procurando outros candidatos à matéria escura que não sejam WIMPs. O corpo docente da UC Berkeley está envolvido em dois experimentos em busca de uma partícula hipotética chamada axion, que pode atender aos requisitos de matéria escura. O Experimento de Spin-Precessão do Axion Cósmico (CASPEr), liderado por Dmitry Budker, um professor emérito de física que agora está na Universidade de Mainz, na Alemanha, e o teórico Surjeet Rajendran, um professor de física da UC Berkeley, está planejando procurar perturbações no spin nuclear causadas por um campo de axion. Karl van Bibber, um professor de engenharia nuclear, desempenha um papel fundamental no experimento de matéria escura da Axion - alta frequência (ADMX-HF), que busca detectar áxions dentro de uma cavidade de micro-ondas dentro de um forte campo magnético à medida que se convertem em fótons.

"Claro que não devemos abandonar a procura de WIMPs, "Murayama disse, "mas os limites experimentais estão ficando realmente, muito importante. Depois de chegar ao nível de medição, onde estaremos em um futuro próximo, até mesmo os neutrinos acabam sendo o pano de fundo para o experimento, o que é inimaginável. "

Os neutrinos interagem tão raramente com a matéria normal que cerca de 100 trilhões voam por nossos corpos a cada segundo sem que percebamos, algo que os torna extremamente difíceis de detectar.

"O consenso da comunidade é tipo, não sabemos o quão longe precisamos ir, mas pelo menos precisamos descer a este nível, "ele acrescentou." Mas porque definitivamente não há sinais de aparecimento de WIMPs, as pessoas estão começando a pensar de forma mais ampla atualmente. Vamos parar e pensar sobre isso novamente. "