Nova teoria sugere que a matéria escura pode ser um refugiado cósmico extradimensional

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Créditos: Chandra X-ray Observatory Center / Smithsonian Institution / Wikimedia Commons.

Por Robert Lea
Publicado na Live Science

A matéria escura, a substância indescritível que responde pela maior parte da massa do Universo, pode ser composta de partículas massivas chamadas grávitons que surgiram pela primeira vez no primeiro momento após o Big Bang.

E essas partículas hipotéticas podem ser refugiados cósmicos de dimensões extras, sugere uma nova teoria.

Os cálculos dos pesquisadores sugerem que essas partículas poderiam ter sido criadas nas quantidades certas para explicar a matéria escura, que só pode ser “vista” através de sua atração gravitacional sobre a matéria comum.

“Gravitons massivos são produzidos por colisões de partículas comuns no início do Universo. Acreditava-se que esse processo era muito raro para que os grávitons massivos fossem candidatos à matéria escura”, disse o coautor do estudo Giacomo Cacciapaglia, físico da Universidade de Lyon, na França, à Live Science.

Mas em um novo estudo publicado em fevereiro na revista Physical Review Letters, Cacciapaglia, juntamente com os físicos da Universidade da Coreia Haiying Cai e Seung J. Lee, descobriram que o suficiente desses grávitons teria sido feito no início do Universo para explicar toda a matéria escura que atualmente detectamos no Universo.

Os grávitons, se existirem, teriam uma massa inferior a 1 megaelétron-volt (MeV), portanto, não mais que o dobro da massa de um elétron, segundo o estudo.

Esse nível de massa está bem abaixo da escala em que o bóson de Higgs gera massa para a matéria comum – o que é fundamental para o modelo que produza o suficiente para dar conta de toda a matéria escura do Universo. (Para comparação, a partícula mais leve conhecida, o neutrino, pesa menos de 2 elétron-volts, enquanto um próton pesa aproximadamente 940 MeV, de acordo com o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA.)

A equipe encontrou esses grávitons hipotéticos enquanto procurava evidências de dimensões extras, que alguns físicos suspeitam existir ao lado das três dimensões observadas do espaço e da quarta dimensão, o tempo.

Na teoria da equipe, quando a gravidade se propaga através de dimensões extras, ela se materializa em nosso Universo como grávitons massivos.

Mas essas partículas interagiriam apenas fracamente com a matéria comum e apenas por meio da força da gravidade.

Esta descrição é estranhamente semelhante ao que sabemos sobre a matéria escura, que não interage com a luz, mas tem uma influência gravitacional sentida em todo o Universo. Essa influência gravitacional, por exemplo, é o que impede as galáxias de se separarem.

“A principal vantagem dos grávitons massivos como partículas de matéria escura é que eles só interagem gravitacionalmente, portanto, podem escapar das tentativas de detectar sua presença”, disse Cacciapaglia.

Em contraste, outros candidatos à matéria escura propostos – como partículas massivas de interação fraca, áxions e neutrinos – também podem ser detectados por suas interações muito sutis com outras forças e campos.

O fato de que grávitons massivos mal interagem via gravidade com outras partículas e forças no Universo oferece outro ponto para essa hipótese.

“Devido às suas interações muito fracas, eles decaem tão lentamente que permanecem estáveis ​​durante a vida útil do Universo”, disse Cacciapaglia, “Pela mesma razão, eles são produzidos lentamente durante a expansão do Universo e se acumulam até hoje”.

No passado, os físicos pensavam que os grávitons eram candidatos improváveis ​​à matéria escura porque os processos que os criam são extremamente raros. Como resultado, os grávitons seriam criados em taxas muito mais baixas do que outras partículas.

Mas a equipe descobriu que no picosegundo (trilionésimo de segundo) após o Big Bang, mais desses grávitons teriam sido criados do que as teorias anteriores sugeriam.

Esse boom foi suficiente para que grávitons massivos explicassem completamente a quantidade de matéria escura que detectamos no Universo, segundo o estudo.

“O boom foi um choque”, disse Cacciapaglia. “Tivemos que realizar muitas verificações para garantir que o resultado estivesse correto, pois resulta em uma mudança de paradigma na maneira como consideramos grávitons massivos como potenciais candidatos à matéria escura”.

Como os grávitons massivos se formam abaixo da escala de energia do bóson de Higgs, eles são livres de incertezas relacionadas a escalas de energia mais altas, que a física de partículas atual não descreve muito bem.

A teoria da equipe conecta a física estudada em aceleradores de partículas, como o Grande Colisor de Hádrons, com a física da gravidade.

Isso significa que poderosos aceleradores de partículas, como o Futuro Colisor Circular do CERN, que deve começar a operar em 2035, podem procurar evidências dessas potenciais partículas de matéria escura.

“Provavelmente a melhor chance que temos é em futuros colisores de partículas de alta precisão”, disse Cacciapaglia. “Isso é algo que estamos investigando atualmente”.