Pesquisadores da Rússia, Finlândia, e os EUA restringiram o modelo teórico de partículas de matéria escura ao analisar dados de observações astronômicas de núcleos galácticos ativos. As novas descobertas fornecem um incentivo adicional para grupos de pesquisa ao redor do mundo que tentam desvendar o mistério da matéria escura:ninguém tem certeza do que é feito. O artigo foi publicado no Journal of Cosmology and Astroparticle Physics .

A questão de quais partículas constituem a matéria escura é crucial para a física de partículas moderna. Apesar das expectativas de que partículas de matéria escura seriam descobertas no Grande Colisor de Hádrons, isso não aconteceu. Uma série de hipóteses predominantes sobre a natureza da matéria escura tiveram que ser rejeitadas. Diversas observações indicam que existe matéria escura, mas, aparentemente, algo diferente das partículas do Modelo Padrão o constitui. Os físicos, portanto, precisam considerar outras opções mais complexas. O modelo padrão precisa ser estendido. Entre os candidatos à inclusão estão partículas hipotéticas que podem ter massas na faixa de 10? ²? a 10? ¹? vezes a massa do elétron. Isso é, a partícula especulada mais pesada tem uma massa 40 ordens de magnitude maior do que a mais leve.

Um modelo teórico trata a matéria escura como sendo composta de partículas ultraleves. Isso oferece uma explicação para inúmeras observações astronômicas. Contudo, tais partículas seriam tão leves que interagiriam muito fracamente com outra matéria e luz, tornando-os extremamente difíceis de estudar. É quase impossível detectar uma partícula desse tipo em um laboratório, então, os pesquisadores se voltam para as observações astronômicas.

“Estamos falando de partículas de matéria escura que são 28 ordens de magnitude mais leves que o elétron. Essa noção é extremamente importante para o modelo que decidimos testar. A interação gravitacional é o que trai a presença de matéria escura. Se explicarmos todas as observou a massa de matéria escura em termos de partículas ultraleves, isso significaria que há um número enorme deles. Mas com partículas tão leves como essas, surge a pergunta:Como os protegemos de adquirir massa efetiva devido às correções quânticas? Os cálculos mostram que uma resposta possível seria que essas partículas interagem fracamente com os fótons, ou seja, com radiação eletromagnética. Isso oferece uma maneira muito mais fácil de estudá-los:observando a radiação eletromagnética no espaço, "disse Sergey Troitsky, co-autor do artigo e pesquisador-chefe do Instituto de Pesquisa Nuclear da Academia Russa de Ciências.

Quando o número de partículas é muito alto, em vez de partículas individuais, você pode tratá-los como um campo de certa densidade que permeia o universo. Este campo oscila de forma coerente sobre domínios que são da ordem de 100 parsecs de tamanho, ou cerca de 325 anos-luz. O que determina o período de oscilação é a massa das partículas. Se o modelo considerado pelos autores estiver correto, este período deve ser de cerca de um ano. Quando a radiação polarizada passa por tal campo, o plano de polarização da radiação oscila com o mesmo período. Se mudanças periódicas como esta de fato ocorrem, observações astronômicas podem revelá-los. E a duração do período - um ano terrestre - é muito conveniente, porque muitos objetos astronômicos são observados ao longo de vários anos, o que é suficiente para que as mudanças na polarização se manifestem.

Os autores do artigo decidiram usar os dados de radiotelescópios baseados na Terra, porque eles retornam aos mesmos objetos astronômicos muitas vezes durante um ciclo de observações. Esses telescópios podem observar núcleos galácticos ativos remotos - regiões de plasma superaquecido perto dos centros das galáxias. Essas regiões emitem radiação altamente polarizada. Ao observá-los, pode-se acompanhar a mudança no ângulo de polarização ao longo de vários anos.

"No início parecia que os sinais de objetos astronômicos individuais exibiam oscilações sinusoidais. Mas o problema era que o período senoidal tinha que ser determinado pela massa da partícula de matéria escura, o que significa que deve ser o mesmo para todos os objetos. Havia 30 objetos em nossa amostra. E pode ser que alguns deles tenham oscilado devido à sua própria física interna, mas mesmo assim, os períodos nunca foram os mesmos, "Troitsky continua." Isso significa que a interação de nossas partículas ultraleves com a radiação pode muito bem ser restringida. Não estamos dizendo que tais partículas não existem, mas demonstramos que eles não interagem com os fótons, colocar uma restrição nos modelos disponíveis que descrevem a composição da matéria escura. "

"Imagine como foi emocionante! Você passa anos estudando quasares, quando um dia os físicos teóricos aparecerem, e os resultados de nossas medições de polarização de alta precisão e alta resolução angular são repentinamente úteis para a compreensão da natureza da matéria escura, "acrescenta com entusiasmo Yuri Kovalev, co-autor do estudo e diretor de laboratório do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e do Instituto de Física Lebedev da Academia Russa de Ciências.

No futuro, a equipe planeja pesquisar por manifestações de partículas hipotéticas de matéria escura mais pesadas propostas por outros modelos teóricos. Isso exigirá trabalhar em diferentes faixas espectrais e usar outras técnicas de observação. De acordo com Troitsky, as restrições em modelos alternativos são mais rigorosas.

"Agora mesmo, o mundo inteiro está empenhado na busca por partículas de matéria escura. Este é um dos grandes mistérios da física de partículas. A partir de hoje, nenhum modelo é aceito como preferido, melhor desenvolvido, ou mais plausível em relação aos dados experimentais disponíveis. Temos que testar todos eles. Inconvenientemente, a matéria escura é "escura" no sentido de que dificilmente interage com qualquer coisa, particularmente com luz. Pelo visto, em alguns cenários, pode ter um leve efeito na passagem das ondas de luz. Mas outros cenários não prevêem nenhuma interação entre nosso mundo e a matéria escura, além dos mediados pela gravidade. Isso tornaria suas partículas muito difíceis de encontrar, "conclui Troitsky.