- Uma teoria propõe a existência de um reino físico oculto com suas próprias versões de partículas e forças que deu origem a pequenos objetos semelhantes a buracos negros, os quais explicariam toda a matéria escura observada atualmente.
- A outra teoria investiga se a matéria escura poderia ser um produto da própria expansão do universo, criada pela radiação quântica próxima ao horizonte cósmico durante uma breve, mas intensa fase pós-inflacionária.
- Ambas as teorias oferecem estruturas testáveis e autossuficientes baseadas na física conhecida, continuando o legado da UC Santa Cruz de vincular a teoria de partículas a fenômenos em escala cósmica para enfrentar um dos maiores mistérios da ciência.
Dois estudos recentes do professor Stefano Profumo da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, propõem teorias que tentam responder uma das questões mais fundamentais em física moderna: qual é a natureza das partículas da matéria escura?
A ciência produziu evidências esmagadoras de que a substância misteriosa que representa 80% de toda a matéria no universo existe. A presença da matéria escura explica o que une as galáxias e faz com que elas girem. Descobertas como a estrutura em larga escala do universo e medições do fundo cósmico de micro-ondas também provam que algo ainda indeterminado permeia toda aquela escuridão.
O que permanece desconhecido são as origens da matéria escura e, portanto, quais são suas propriedades de partículas. Essas questões importantes recaem principalmente sobre físicos teóricos como Profumo. E em dois artigos recentes, ele aborda essas perguntas de direções diferentes, mas ambas centradas na ideia de que a matéria escura poderia ter emergido naturalmente das condições no universo primordial — em vez de a matéria escura ser uma partícula exótica nova que interage com a matéria ordinária de alguma forma detectável.
Origens sombrias
O estudo mais recente, publicado em 8 de julho, explora se a matéria escura poderia ter se formado em um setor oculto — uma espécie de “mundo espelho” com suas próprias versões de partículas e forças. Embora completamente invisível aos humanos, esse setor sombrio obedeceria a muitas das mesmas leis físicas que o universo conhecido.
A ideia se inspira na cromodinâmica quântica (QCD), a teoria que descreve como quarks são ligados dentro de prótons e nêutrons pela força nuclear forte. A UC Santa Cruz tem raízes profundas nesta área: o professor emérito de física Michael Dine ajudou a desenvolver modelos teóricos envolvendo o axião da QCD, um dos principais candidatos à matéria escura, enquanto o professor de pesquisa Abe Seiden contribuiu para esforços experimentais importantes que investigam a estrutura dos hádrons — partículas compostas por quarks — em experimentos de física de altas energias.
No novo trabalho de Profumo, a força forte é replicada no setor escuro como uma teoria “dark QCD” de confinação, com suas próprias partículas — quarks escuros e gluons escuros — unindo-se para formar partículas compostas pesadas conhecidas como bárions escuros. Sob certas condições no universo primitivo, esses bárions escuros poderiam se tornar densos e massivos o suficiente para colapsar sob sua própria gravidade em buracos negros extremamente pequenos e estáveis — ou objetos que se comportam de maneira muito semelhante a buracos negros.
Esses remanescentes semelhantes a buracos negros teriam apenas algumas vezes o peso da escala de massa fundamental da gravidade quântica — conhecida como ‘massa de Planck’ — mas, se produzidos na quantidade certa, poderiam explicar toda a matéria escura observada atualmente. Como interagiriam apenas por meio da gravidade, seriam completamente invisíveis para detectores de partículas — no entanto, sua presença moldaria o universo nas maiores escalas.
Esse cenário oferece uma nova estrutura testável fundamentada em física bem estabelecida, ao mesmo tempo em que amplia a exploração de longa data da UC Santa Cruz sobre como princípios teóricos profundos podem ajudar a explicar uma das maiores questões em cosmologia.
No horizonte
O outro estudo recente de Profumo, publicado em maio, investiga se a matéria escura poderia ser produzida pelo “horizonte cósmico” em expansão do universo — essencialmente, o equivalente cosmológico ao horizonte de eventos de um buraco negro.
Este artigo questiona se o universo passou por um breve período de expansão acelerada após a inflação — algo menos extremo que a inflação, mas ainda se expandindo mais rápido do que a radiação ou a matéria permitiriam — se essa fase poderia ter “radiado” partículas para a existência?
Usando princípios da teoria quântica de campos em espaço-tempo curvado, o artigo mostra que uma ampla gama de massas de matéria escura poderia resultar desse mecanismo, dependendo da temperatura e duração dessa fase. Importante, Profumo afirmou que isso não requer suposições sobre como a matéria escura interage, apenas que seja estável e produzida gravitacionalmente. A ideia é inspirada pela maneira como observadores próximos a horizontes cósmicos, como os de um buraco negro, percebem radiação térmica devido a efeitos quânticos.
“Ambos os mecanismos são altamente especulativos, mas oferecem cenários autossuficientes e calculáveis que não dependem de modelos convencionais de matéria escura, que estão cada vez mais sob pressão dos resultados experimentais nulos”, disse Profumo, diretor adjunto para teoria do Instituto de Física de Partículas de Santa Cruz.
Pode-se dizer que Profumo escreveu o livro sobre a busca para entender a natureza da matéria escura. Seu livro didático de 2017 An Introduction to Particle Dark Matter apresenta lições que ele pessoalmente aprendeu e usou em seu trabalho de pesquisa a partir de técnicas de ponta que os cientistas desenvolveram ao longo dos anos para criar e testar modelos de partículas para a matéria escura.
O livro descreve o “paradigma da matéria escura” como “um dos principais desenvolvimentos na interface da cosmologia e da física de partículas elementares”, e é destinado a qualquer pessoa interessada na natureza microscópica da matéria escura, à medida que ela se manifesta em experimentos de física de partículas, observações cosmológicas e fenômenos astrofísicos de alta energia.
Conexão com a UC Santa Cruz
Pesquisadores aqui desempenharam um papel fundamental na cosmologia por décadas, contribuindo para o desenvolvimento do modelo padrão Lambda-Matéria Escura Fria — ainda o melhor ajuste a todos os dados cosmológicos — e para o estudo teórico e observacional de como a estrutura se forma no universo. Além disso, a UC Santa Cruz sempre apoiou uma estreita interação entre teoria e observação, com pontos fortes em física de partículas, astrofísica e cosmologia do universo primordial.
Profumo afirmou que essas publicações recentes continuam nessa tradição, explorando ideias que conectam as questões mais profundas da física de partículas ao comportamento em larga escala do cosmos. “E fazem isso de uma maneira que permanece enraizada na física conhecida — seja na teoria quântica de campos em espaço-tempo curvado, ou nas propriedades bem estudadas das teorias de gauge SU(N) — enquanto as estende a novas fronteiras”, disse ele.
Ambos os estudos foram publicados na Physical Review D, o principal veículo da American Physical Society para física teórica de partículas.
