Traduzido de Scientific American
Um cálculo ambicioso de um supercomputador trouxe boas e más notícias para os físicos que estavam pesquisando sobre o áxion – uma partícula hipotética considerada a principal candidata para a matéria escura.
Os resultados mostram que o áxion, se existir, poderia ser pelo menos dez vezes mais pesado do que se pensava. Se for verdade, isso é uma pista útil sobre como encontrar a partícula. Mas também sugere que um experimento que esteve caçando o áxion por duas décadas pode falhar em encontrá-lo, porque o detector foi projetado para procurar uma versão mais leve.
O áxion foi proposto em 1977 como uma potencial solução para um paradoxo decorrente de como a força nuclear forte – que liga as partículas no núcleo de um átomo – afeta a matéria e a antimatéria. (Isso explicaria uma simetria inesperada em que essa força tem o mesmo efeito sobre a matéria quanto a antimatéria.) Mas os pesquisadores também pensam que o áxion pode ser um dos componentes da matéria escura, o material invisível que se pensa representar cerca de 85% da massa do Universo. Portanto, se a partícula existe, ela resolveria dois problemas ao mesmo tempo.
Uma caçada no escuro
Os físicos estão procurando desesperadamente as partículas exóticas que constituem a matéria escura, que foi encontrada apenas indiretamente, pela sua atração gravitacional sobre as galáxias. Mas até agora, cada experimento projetado para encontrar componentes de matéria escura veio de mãos vazias ou produziu resultados controversos. A maioria desses experimentos tentou detectar ou produzir as chamadas partículas massivas que interagem fracamente, ou WIMPs.
O Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) tem liderado o cargo de uma explicação alternativa: o áxion. O experimento consiste em um cilindro de metal que usa campos magnéticos fortes, que teoricamente deveriam converter alguns áxions em fótons que poderiam ser detectados no espectro de ondas de rádio. Começou no Lawrence Livermore National Laboratory, na Califórnia, em 1996, e foi mudado para a Universidade de Washington em Seattle, em 2010.
Cálculos iniciais sugeriram que o áxion deve ter uma massa de cerca de 5 microeletronvolts (μeV), cerca de 100 bilhões de vezes mais leve que o elétron, diz Pierre Sikivie, um físico teórico da Universidade da Flórida, em Gainesville. Assim, ele e seus colaboradores projetaram o ADMX para ser mais sensível a massas contidas nesse intervalo.
Mas em um artigo publicado na Revista Nature em 2 de novembro, Zoltan Fodor, físico teórico da Universidade de Wuppertal, na Alemanha, e seus colaboradores relatam os resultados de um grande e complicado cálculo mostrando que, sob certas suposições, a massa do áxion é mais provável que esteja diante de um intervalo entre 50 e 1.500 μeV. Isso o colocaria fora da faixa de ADMX, que é atualmente sensível a massas entre cerca de 0,5 μeV e 40 μeV. “Acho que não é uma boa notícia para a ADMX”, diz Fodor.
Uma questão de inflação
A equipe usou um supercomputador no Centro de Supercomputação de Jülich na Alemanha para simular a criação de partículas elementares em momentos após o Big Bang, voltando a tempos em que as temperaturas subiram acima de um milhão de milhões de graus, dez vezes mais quentes do que aqueles obtidos em simulações anteriores. Foi quando os áxions – se de fato existirem – teriam sido produzidos em abundância. Para chegar lá, a equipe teve que desenvolver técnicas para acelerar seus cálculos, o que de outra forma poderia ter levado milhões de anos para ser concluído, diz Fodor.
A simulação permitiu à equipe calcular a massa do áxion, sob a suposição de que ela foi criada após a inflação – um breve período durante o qual o Universo expandiu-se exponencialmente. Num cenário em que o áxion foi criado antes da inflação, a equipe elaborou a maneira como a partícula se formaria, mas não foi capaz de deduzir sua massa.
O artigo é “um tour de force”, diz Leslie Rosenberg, físico experimental da Universidade de Washington, que lidera a ADMX. “Tiro meu chapéu para essas pessoas.” Se o cenário pós-inflação está correto, então os resultados da equipe pode significar que a experiência não vai detectar nada, ele admite. Mas ele acrescenta que, no caso de pré-inflação, o que a equipe de Fodor descobriu poderia realmente tornar uma massa mais leve mais plausível, e colocá-lo bem no “ponto certo” da ADMX .
Outro detector que está sendo construído no Centro de Pesquisa de Física Axion e Precision em Daejeon, Coréia do Sul, pode ser sensível a massas mais altas, assim como o experimento MADMAX proposto, sugerido pela primeira vez por um dos co-autores do documento Nature.
Guido Martinelli, um físico teórico da Universidade Sapienza de Roma, concorda que é cedo demais para anular a caça da ADMX. Os pesquisadores não sabem qual dos dois cenários – pré ou pós-inflação – é mais plausível, diz ele. Além disso, ele argumenta, que os resultados da equipe não são conclusivos, mesmo no cenário pós-inflação. “Alguns de seus pressupostos são um pouco precipitados”, diz ele. “Certamente é necessário que outros grupos verifiquem esses resultados”.
