Quase um quarto do universo está literalmente nas sombras. De acordo com as teorias dos cosmologistas, 25,8% dele é composto de matéria escura, cuja presença é sinalizada essencialmente apenas por sua atração gravitacional. Em que consiste essa substância permanece um mistério. Hermann Nicolai, Diretor do Instituto Max Planck de Física Gravitacional em Potsdam, e seu colega Krzysztof Meissner, da Universidade de Varsóvia, propôs agora um novo candidato - um gravitino superpesado. A existência dessa partícula ainda hipotética decorre de uma hipótese que busca explicar como o espectro observado de quarks e léptons no modelo padrão da física de partículas pode emergir de uma teoria fundamental. Além disso, os pesquisadores descrevem um método possível para rastrear essa partícula.

O modelo padrão da física de partículas abrange os blocos de construção da matéria e as forças que os mantêm unidos. Ele afirma que existem seis quarks e seis léptons diferentes agrupados em três "famílias". Contudo, a matéria ao nosso redor e nós mesmos somos, em última análise, compostos de apenas três partículas da primeira família:os quarks up e down e o elétron, que é um membro da família lepton.

Até agora, este modelo padrão estabelecido de longa data permaneceu inalterado. O Large Hadron Collider (LHC) no CERN em Genebra foi colocado em serviço há cerca de dez anos com o objetivo principal de explorar o que pode estar além. Contudo, após dez anos de coleta de dados, os cientistas não conseguiram detectar nenhuma nova partícula elementar, além do bóson de Higgs, apesar das expectativas amplamente sustentadas em contrário. Em outras palavras, até agora, as medições com o LHC falharam em fornecer qualquer sugestão de "nova física" além do modelo padrão. Essas descobertas contrastam fortemente com as numerosas extensões propostas deste modelo, que sugerem um grande número de novas partículas.

Em um artigo anterior publicado em Cartas de revisão física , Hermann Nicolai e Krzysztof Meissner apresentaram uma nova hipótese que busca explicar por que apenas as partículas elementares já conhecidas ocorrem como blocos básicos de construção da matéria na natureza - e por que, ao contrário do que se pensava anteriormente, nenhuma nova partícula é esperada na faixa de energia acessível aos experimentos atuais ou futuros concebíveis.

Além disso, os dois pesquisadores postulam a existência de gravitinos supermassivos, que podem ser candidatos altamente incomuns para matéria escura. Em uma segunda publicação, que apareceu recentemente no jornal Revisão Física D , eles também estabeleceram uma proposta de como rastrear esses gravitinos.

Em seu trabalho, Nicolai e Meissner retomam uma velha ideia do ganhador do Prêmio Nobel Murray Gell-Mann que se baseia na teoria de "Supergravidade N =8". Um elemento-chave de sua proposta é um novo tipo de simetria de dimensão infinita que se destina a explicar o espectro observado dos quarks e léptons conhecidos em três famílias. "Nossa hipótese, na verdade, não produz partículas adicionais para matéria comum que precisariam ser descartadas porque não aparecem em experimentos com aceleradores, "diz Hermann Nicolai." Em contraste, nossa hipótese pode, em princípio, explicar precisamente o que vemos, em particular a replicação de quarks e léptons em três famílias. "

Contudo, processos no cosmos não podem ser explicados inteiramente pela matéria comum que já conhecemos. Um sinal disso são as galáxias:elas giram em alta velocidade, e a matéria visível no universo - que representa apenas cerca de 5% da matéria no universo - não seria suficiente para mantê-los juntos. Até aqui, Contudo, ninguém sabe do que o resto é feito, apesar de inúmeras sugestões. A natureza da matéria escura é, portanto, uma das questões não respondidas mais importantes na cosmologia.

"A expectativa comum é que a matéria escura seja composta de uma partícula elementar, e que ainda não foi possível detectar essa partícula porque ela interage com a matéria comum quase exclusivamente pela força gravitacional, "diz Hermann Nicolai. O modelo desenvolvido em colaboração com Krzysztof Meissner oferece um novo candidato para uma partícula de matéria escura deste tipo, embora um com propriedades completamente diferentes de todos os candidatos discutidos até agora, como axions ou WIMPs. Os últimos interagem muito fracamente com a matéria conhecida. O mesmo vale para os gravitinos muito leves que foram repetidamente propostos como candidatos à matéria escura em conexão com a supersimetria de baixa energia. Contudo, a presente proposta vai em uma direção completamente diferente, na medida em que não atribui mais um papel principal à supersimetria, mesmo que o esquema desça da supergravidade máxima N =8. "Em particular, nosso esquema prevê a existência de gravitinos superpesados, que - ao contrário dos candidatos usuais e ao contrário dos gravitinos leves anteriormente considerados - também interagiria forte e eletromagneticamente com a matéria comum, "diz Hermann Nicolai.

Sua grande massa significa que essas partículas só poderiam ocorrer em uma forma muito diluída no universo; de outra forma, eles iriam "fechar" o universo e, assim, levar ao seu colapso precoce. De acordo com o pesquisador do Max Planck, na verdade, não seriam necessários muitos deles para explicar o conteúdo de matéria escura no universo e em nossa galáxia - uma partícula por 10, 000 quilômetros cúbicos seriam suficientes. A massa da partícula postulada por Nicolai e Meissner encontra-se na região da massa de Planck, ou seja, cerca de um centésimo milionésimo de quilo. Em comparação, prótons e nêutrons - os blocos de construção do núcleo atômico - são cerca de dez quintilhões (dez milhões de trilhões) de vezes mais leves. No espaço intergalático, a densidade seria ainda muito menor.

"A estabilidade desses gravitinos pesados ​​depende de seus números quânticos incomuns (cargas), "diz Nicolai." Especificamente, simplesmente não há estados finais com as cargas correspondentes no modelo padrão em que esses gravitinos poderiam decair - caso contrário, eles teriam desaparecido logo após o Big Bang. "

Suas interações fortes e eletromagnéticas com matéria conhecida podem tornar essas partículas de matéria escura mais fáceis de rastrear, apesar de sua extrema raridade. Uma possibilidade é pesquisá-los com medições dedicadas de tempo de voo nas profundezas do subsolo, como essas partículas se movem muito mais devagar do que a velocidade da luz, ao contrário das partículas elementares comuns originadas da radiação cósmica. No entanto, eles penetrariam na Terra sem esforço por causa de sua grande massa - como uma bala de canhão que não pode ser interrompida por um enxame de mosquitos.

Esse fato dá aos pesquisadores a ideia de usar nosso próprio planeta como um "paleodetector":a Terra orbita no espaço interplanetário há cerca de 4,5 bilhões de anos, durante o qual deve ter sido penetrado por muitos desses gravitinos massivos. No processo, as partículas deveriam ter partido por muito tempo, faixas de ionização direta na rocha, mas pode não ser fácil distingui-los de rastros causados ​​por partículas conhecidas. "A radiação ionizante é conhecida por causar defeitos de rede em estruturas cristalinas. Pode ser possível detectar relíquias dessas trilhas de ionização em cristais que permanecem estáveis ​​por milhões de anos, "diz Hermann Nicolai. Por causa de seu longo" tempo de exposição ", tal estratégia de busca também pode ser bem-sucedida caso a matéria escura não seja homogeneamente distribuída dentro das galáxias, mas sujeita a flutuações de densidade local - o que também poderia explicar o fracasso das pesquisas por escuridão mais convencional candidatos importantes até agora.