Pela primeira vez, físicos delimitam a possível massa da matéria escura

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A galáxia do Sombreiro, um objeto perfeito para calcular a velocidade de rotação da galáxia. (Créditos: NASA/equipe do Hubble Heritage/STScI/AURA)

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Podemos não saber o que é matéria escura, mas os cientistas agora têm uma ideia melhor do que procurar.

Com base na gravidade quântica, os físicos desenvolveram novos e muito mais rígidos limites de massa superior e inferior das partículas de matéria escura. E eles descobriram que a faixa de massa é muito mais limitada do que se pensava anteriormente.

Isso significa que os candidatos à matéria escura que são extremamente leves ou pesados ​​provavelmente não serão a resposta, com base em nossa compreensão atual do Universo.

“Esta é a primeira vez que alguém pensou em usar o que sabemos sobre a gravidade quântica como uma forma de calcular o intervalo de massa da matéria escura. Ficamos surpresos quando percebemos que ninguém havia feito isso antes – assim como os colegas cientistas que estavam revisando nosso estudo”, disse o físico e astrônomo Xavier Calmet, da Universidade de Sussex, no Reino Unido.

“O que fizemos mostra que a matéria escura não pode ser ‘ultraleve’ ou ‘superpesada’, como alguns teorizam – a menos que haja uma força adicional ainda desconhecida agindo sobre ela. Esta pesquisa ajuda os físicos em dois formas: ele focaliza a área de pesquisa de matéria escura e também ajudará potencialmente a revelar se há ou não uma força adicional desconhecida misteriosa no Universo.”

A matéria escura é inegavelmente um dos maiores mistérios do Universo como o conhecemos. É o nome que damos a uma massa misteriosa responsável por efeitos gravitacionais que não podem ser explicados pelas coisas que podemos detectar por outros meios – a matéria normal, como estrelas, poeira e galáxias.

Por exemplo, as galáxias giram muito mais rápido do que deveriam se estivessem sendo apenas influenciadas gravitacionalmente pela matéria normal nelas; as lentes gravitacionais – a curvatura do espaço-tempo em torno de objetos massivos – são muito mais fortes do que deveriam ser. O que quer que esteja criando essa gravidade adicional está além de nossa capacidade de detectar diretamente.

Sabemos dela apenas pelo efeito gravitacional que exerce sobre outros objetos. Com base nesse efeito, sabemos que há muito dela por aí. Aproximadamente 80 por cento de toda a matéria no Universo é matéria escura. É chamada de matéria escura porque, bem, é escura. E também misteriosa.

No entanto, sabemos que a matéria escura interage com a gravidade, então Calmet e seu colega, o físico e astrônomo Folkert Kuipers, da Universidade de Sussex, se voltaram para as qualidades da gravidade quântica para tentar estimar a faixa de massa de uma partícula de matéria escura hipotética (seja ela qual for).

A gravidade quântica, explicam eles, estabelece uma série de limites para a existência de partículas de matéria escura de várias massas. Embora não tenhamos uma teoria funcional decente que une a descrição da gravidade da curvatura do espaço da relatividade geral com a parte discreta da física quântica, sabemos que qualquer fusão das duas refletiria certos fundamentos de ambas. Como tal, as partículas de matéria escura teriam que obedecer às regras gravitacionais quânticas sobre como as partículas se quebram ou interagem.

Ao contabilizar cuidadosamente todos esses limites, eles foram capazes de descartar faixas de massa improváveis ​​de existir sob nosso conhecimento atual da física.

Com base na suposição de que apenas a gravidade pode interagir com a matéria escura, eles determinaram que a massa da partícula deveria estar entre 10-3 elétronvolts e 107 elétronvolts, dependendo dos spins das partículas e da natureza das interações da matéria escura.

Isso é insanamente menor do que a faixa de 10-24 elétronvolt a 1019 gigaelétronvolt tradicionalmente atribuída, disseram os pesquisadores. E isso é importante, porque em grande parte exclui alguns candidatos, como WIMPs (partículas massivas de interação fraca).

Se esses candidatos vierem a ser os responsáveis por trás do mistério da matéria escura, de acordo com Calmet e Kuipers, isso significaria que estão sendo influenciados por alguma força que ainda não conhecemos.

Isso seria muito legal, porque apontaria para uma nova física – uma nova ferramenta para analisar e compreender nosso Universo.

Acima de tudo, as restrições da equipe fornecem um novo quadro a ser considerado na busca por matéria escura, ajudando a restringir onde e como olhar.

“Como estudante de doutorado, é ótimo poder trabalhar em uma pesquisa tão empolgante e impactante como esta”, disse Kuipers. “Nossas descobertas são uma notícia muito boa para os experimentalistas, pois os ajudará a chegar mais perto de descobrir a verdadeira natureza da matéria escura.”

A pesquisa foi publicada na Physics Letters B.