A Matéria Escura continua sendo um dos maiores mistérios da física fundamental. Muitas propostas teóricas (axions, WIMPs) e 40 anos de extensa busca experimental não conseguiram fornecer qualquer explicação sobre a natureza da Matéria Escura. Há alguns anos, em uma teoria que unifica a física de partículas e a gravidade, foram propostos novos candidatos à Matéria Escura, os graviinos carregados superpesados. Um artigo recente na Physical Review Research por cientistas da Universidade de Varsóvia e do Instituto Max Planck de Física Gravitacional mostra como novos detectores subterrâneos, em particular o detector JUNO, que começará em breve a coletar dados, embora projetado para física de neutrinos, também é extremamente apropriado para eventualmente detectar os graviinos carregados de Matéria Escura. As simulações que combinam dois campos, a física de partículas elementares e a química quântica avançada, mostram que o sinal do graviino no detector deve ser único e inequívoco.
Em 1981, Murray Gell-Mann, laureado com o Prêmio Nobel pela introdução dos quarks como constituintes fundamentais da matéria, notou o fato intrigante de que as partículas do Modelo Padrão, quarks e léptons, estão contidas em uma teoria formulada puramente matematicamente dois anos antes, a supergravidade N=8, distinguida por sua simetria máxima. A supergravidade N=8 contém, além das partículas de matéria do Modelo Padrão de spin 1/2, também a parte gravitacional: o gráviton (de spin 2) e 8 graviños de spin 3/2. Se o Modelo Padrão está de fato relacionado à supergravidade N=8, essa relação pode apontar para um caminho para resolver o problema mais difícil da física teórica fundamental — a unificação da gravidade com a física de partículas. A supergravidade N=8 no setor de spin ½ contém exatamente 6 quarks (u, d, c, s, t, b) e 6 léptons (elétron, múon, taon e neutrinos) e proíbe a presença de quaisquer outras partículas de matéria. Após 40 anos de pesquisa intensiva em aceleradores sem descobrir novas partículas de matéria, o conteúdo de matéria da N=8 supergravidade não apenas é consistente com nosso conhecimento, mas continua sendo a única explicação teórica conhecida para o número de quarks e léptons no Modelo Padrão! No entanto, a conexão direta da supergravidade N=8 com o Modelo Padrão teve várias desvantagens, sendo a principal que as cargas elétricas de quarks e léptons foram deslocadas em ±1/6 em relação aos valores conhecidos; por exemplo, o elétron tinha carga -5/6 em vez de -1. Há alguns anos, Krzysztof Meissner, da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, Polônia, e Hermann Nicolai, do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein/AEI), Potsdam, Alemanha, retornaram à ideia de Gell-Mann e conseguiram ir além da supergravidade N=8 e modificar a proposta original, obtendo as cargas elétricas corretas das partículas de matéria do Modelo Padrão. A modificação é muito abrangente, apontando para uma simetria infinita K(E10), pouco conhecida matematicamente, e substituindo as simetrias usuais do Modelo Padrão.
Uma das saídas surpreendentes da modificação, descrita em artigos na Physical Review Letters e na Physical Review, é o fato de que os graviños, presumivelmente de massa extremamente grande próxima da escala de Planck, ou seja, bilhões de bilhões de massas de prótons, são eletricamente carregados: 6 deles têm carga ±1/3 e 2 têm ±2/3. Os graviños, embora extremamente maciços, não podem decair, uma vez que não existem partículas nas quais poderiam decair. Portanto, Meissner e Nicolai propuseram que 2 graviños de carga ±2/3 (os outros 6 têm abundância muito menor) poderiam ser partículas de Matéria Escura de um tipo muito diferente de tudo o que foi proposto até agora. Ou seja, os candidatos amplamente divulgados normalmente, sejam extremamente leves como os axions ou de massa intermediária (próton) como os WIMPs (partículas massivas fracamente interativas) eram eletricamente neutros, em compatibilidade com o nome ‘Matéria Escura’. No entanto, após mais de 40 anos de busca intensiva por muitos métodos e dispositivos diferentes, nenhuma nova partícula além do Modelo Padrão foi detectada.
No entanto, os graviños apresentam uma nova alternativa. Mesmo sendo eletricamente carregados, eles podem ser candidatos à Matéria Escura porque, sendo tão maciços, são extremamente raros e, portanto, observacionalmente ‘não brilham no céu’ e evitam as restrições muito rigorosas sobre a carga dos constituintes da Matéria Escura. Além disso, a carga elétrica dos graviños sugere uma maneira completamente diferente de tentar provar sua existência. O artigo original em 2024 na Eur. Phys. J. por Meissner e Nicolai apontou que detectores de neutrinos, baseados em cintiladores diferentes da água, poderiam ser adequados para a detecção de graviños de Matéria Escura. No entanto, a busca é tornada enormemente difícil pela sua extrema raridade (presumivelmente apenas um graviño por 10.000 km3 no Sistema Solar), razão pela qual não há perspectivas de detecção com os detectores atualmente disponíveis. No entanto, novos detectores subterrâneos gigantes, de óleo ou argônio líquido, estão sendo construídos ou planejados e possibilidades realistas para a busca por essas partículas estão agora se abrindo.
Entre todos os detectores, o Observatório Subterrâneo de Neutrinos de Jiangmen (JUNO), agora em construção na China, parece predestinado para tal busca. Seu objetivo é determinar as propriedades dos neutrinos (na verdade, antineutrinos), mas como os neutrinos interagem extremamente fracamente com a matéria, os detectores devem ter volumes muito grandes. No caso do detector JUNO, isso significa 20.000 toneladas de um líquido orgânico similar ao óleo sintético, com adições especiais, em um recipiente esférico com um diâmetro de aproximadamente 40 metros e mais de 17 mil fotomultiplicadores ao redor da esfera. O JUNO está programado para começar as medições na segunda metade de 2025.
O artigo recentemente publicado na Physical Review Research por Meissner e Nicolai, com os colaboradores Adrianna Kruk e Michal Lesiuk da Faculdade de Química da Universidade de Varsóvia, apresenta uma análise detalhada das assinaturas específicas que eventos causados por graviños poderiam produzir no JUNO e em futuros detectores de argônio líquido, como o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) nos Estados Unidos. O artigo descreve não apenas o embasamento teórico, tanto do lado da física quanto da química, mas também simulações muito detalhadas das possíveis assinaturas em função da velocidade e trajetória de um graviño atravessando o vaso de óleo. Isso exigiu um conhecimento muito avançado de química quântica e cálculos intensivos em tempo de CPU. As simulações precisaram levar em conta muitos possíveis antecedentes — decaimento de C14 radioativo presente no óleo, taxa de contagem escura e eficiência dos fotomultiplicadores, absorção de fótons no óleo, etc. As simulações mostram que, com o software apropriado, a passagem de um graviño pelo detector deixará um sinal único, impossível de ser erroneamente identificável com a passagem de qualquer uma das partículas atualmente conhecidas. A análise estabelece novos padrões em termos de interdisciplinaridade, combinando duas áreas diferentes de pesquisa: física teórica e experimental de partículas elementares, por um lado, e métodos muito avançados da química quântica moderna, por outro.
A detecção dos graviños superpesados seria um grande avanço na busca por uma teoria unificada da gravidade e partículas. Como os graviños são previstos para ter massas na ordem da massa de Planck, sua detecção seria a primeira indicação direta da física próxima da escala de Planck e poderia, assim, fornecer valiosas evidências experimentais para a unificação de todas as forças da natureza.
