Os astrofísicos têm pesquisado a matéria escura há várias décadas, mas essas pesquisas até agora produziram resultados decepcionantes. Em um estudo recente, dois pesquisadores do Instituto de Ciência Weizmann e da Universidade Hebraica de Jerusalém em Israel introduziram uma nova estrutura teórica delineando um mecanismo de matéria escura térmica elementar com uma massa de até 10 ¹⁴ GeV.

A matéria escura considerada em seu trabalho consiste em várias partículas quase degeneradas que se espalham na cadeia vizinha mais próxima de uma forma que está alinhada com o modelo padrão usado em estudos de matéria escura. O novo quadro apresentado por esses pesquisadores, descrito em um artigo publicado em Cartas de revisão física , poderia, em última análise, informar pesquisas futuras de matéria escura pesada.

"A natureza da matéria escura é um problema antigo na física moderna, "Hyungjin Kim, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Uma partícula que é tão pesada quanto o bóson de Higgs, e está envolvido em interações cuja força é a interação eletrofraca, é considerado um candidato particularmente bem motivado à matéria escura, já que muitas vezes surge naturalmente ao abordar outro problema-chave:a hierarquia entre a escala eletrofraca e a escala de Planck. "

A partícula que se pensa ser uma boa candidata à matéria escura, conhecido como uma partícula massiva de interação fraca (WIMP), poderia ser produzida naturalmente a partir de interações entre as partículas do modelo padrão no início do universo enquanto estão em equilíbrio térmico. Esse processo específico é conhecido como "mecanismo de congelamento térmico".

Com base na teoria astrofísica atual, a abundância final de WIMPs em nosso universo hoje seria, portanto, insensível aos detalhes das condições iniciais ou parâmetros do modelo. Contudo, uma tradição comum originada de um artigo de 1990 por Kim Griest e Marc Kamionkowski sugere que este mecanismo de congelamento térmico não funciona quando a matéria escura é mais pesada do que 100 TeV (ou seja, mil vezes mais pesado que o bóson de Higgs).

"Em nosso artigo recente, provamos que esta tradição comum está errada e mostramos que o congelamento térmico é possível mesmo quando a matéria escura é várias ordens de magnitude mais pesada do que a massa de Higgs, se houver um conjunto de partículas escuras que se espalham pelas partículas do modelo padrão com interações do vizinho mais próximo, "Eric Kuflik, o outro pesquisador por trás do estudo, disse. "A abundância de relíquias da matéria escura é então determinada por interações estocásticas entre as partículas escuras e as partículas do Modelo Padrão."

O mecanismo proposto por Kim e Kuflik descreve um conjunto de partículas de matéria escura espalhando-se com matéria comum por meio de interações com o vizinho mais próximo, que mudam entre as espécies. Em outras palavras, sugere que a matéria escura dá um 'passeio aleatório' entre as espécies de matéria escura, mudando continuamente sua identidade. Com base na estrutura introduzida pelos pesquisadores, Portanto, a abundância de matéria escura é determinada termicamente no início do universo, permitindo massas extremamente pesadas de matéria escura.

"Nós mostramos que a matéria escura pode ser produzida a partir do banho termal do universo primitivo enquanto está em equilíbrio térmico, mesmo para massas de matéria escura substancialmente mais pesadas do que a sabedoria convencional permitiria, "Kim explicou." Curiosamente, a abundância de partículas de matéria escura em nosso cenário depende apenas da força de interação das partículas escuras com as partículas do modelo padrão. "

A nova estrutura desenvolvida por Kim e Kuflik pode ter implicações importantes para estudos que investiguem a radiação cósmica de fundo, formação de estruturas e raios cósmicos. Além disso, pode servir como referência para pesquisas experimentais de matéria escura pesada, pois sugere que decaimentos para partículas de matéria comuns no universo tardio podem deixar assinaturas astrofísicas e cosmológicas interessantes, que os pesquisadores podem procurar ao procurar por matéria escura.

"Existem duas direções promissoras que esperamos seguir em nosso trabalho futuro, "Kim disse." Primeiro, nosso mecanismo prediz inevitavelmente as partículas de matéria escura decaindo em partículas do Modelo Padrão ao longo da história do universo. Isso poderia deixar assinaturas astrofísicas interessantes, como raios cósmicos de ultra-alta energia e assim por diante. As implicações para a cosmologia também são interessantes. "

Até aqui, Kim e Kuflik descreveram a ideia básica da matéria escura superpesada e forneceram um 'modelo de brinquedo simples' dela, parametrizando a força de interação entre as partículas escuras e as partículas do modelo padrão. Em seus próximos estudos, Contudo, Kim e Kuflik planejam conduzir um estudo detalhado das teorias da física de partículas que poderiam realizar seu mecanismo de matéria escura térmica superpesada.

"Realizações explícitas em física de partículas ajudarão a identificar o conjunto completo de sinais experimentais previstos pelo mecanismo, que nos ensinará os melhores meios para excluir ou detectar essa matéria escura, "Kuflik acrescentou.

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