Procurando por uma luz escura

Um novo experimento no laboratório Jefferson está à caça de fótons escuros, mensageiros hipotéticos de um universo invisível.

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Christopher Smith, Laboratório do Acelerador Nacional Norte-americano SLAC.

Por Manuel Gnida
Publicado na Simmetry Magazine

A matéria tal como conhecemos compõe menos de 5% do universo; o resto é preenchido por matéria escura invisível e energia escura. Cientistas trabalhando no novo experimento a ser conduzido nas dependências do acelerador norte-americano Thomas Jefferson esperam esclarecer alguns desses mistérios cósmicos.

De acordo com teorias específicas conhecidas como modelos de setor escondido (Hidden-Sector models, originalmente), matéria escura consiste em partículas que interagem com a matéria ordinária através da gravitação (e é desse modo que sabemos da existência da matéria escura), mas não através das forças fundamentais: eletromagnética, nuclear fraca e forte (e por isso a matéria escura é de difícil detecção). Tal matéria escura iria interagir com a matéria ordinária através das forças de setor escondido, ainda a serem detectadas. Cientistas acreditam que fótons pesados — também chamados fótons negros ou escuros — podem ser os mediadores de tal força escura, assim como os fótons normais são mediadores da força eletromagnética entre partículas carregadas ordinárias.

A Pesquisa em Fótons Pesados (Heavy Photon Search ou HPS, na sigla em inglês) no laboratório Jefferson procurará por esses ‘primos’ negros e massivos da luz.

“O fóton pesado poderia ser a chave para um universo inteiro rico em forças e partículas escuras,” afirma Rouven Essig, físico teórico na Universidade Stony Brook que recentemente ajudou a desenvolver a teoria para a pesquisa em fótons pesados.

Mesmo que a ideia de fótons pesados esteja pairando no ar por quase 30 anos, ganhou um novo interesse alguns anos atrás quando teóricos sugeriram que esta poderia explicar o porquê de vários experimentos detectarem muito mais pósitrons de alta energia —  os parceiros dos elétrons no domínio da antimatéria — do que era esperado pelos cientistas na radiação cósmica do espaço. Dados do experimento e satélite PAMELA; do instrumento AMS a bordo da Estação Espacial Internacional; do experimento LAT no telescópio espacial de raios gama Fermi e outros experimentos reportaram o mesmo excesso de pósitrons.

“O excesso de pósitrons poderia ser resultado da aniquilação mútua de partículas de matéria escura,” afirma Essig. “No entanto, os dados sugerem uma nova força entre partículas de matéria escura, com os fótons pesados como carregadores da nova força.”

Criando partículas de Luz Negra

Se fótons pesados realmente existem, pesquisadores querem criá-los em laboratório.

Teoricamente, um fóton pesado pode se transformar no que é conhecido como fóton virtual — uma flutuação de energia eletromagnética que tem uma vida curta, porém com massa — e vice versa. Isso deverá acontecer raramente e também durar um período curtíssimo de tempo, porém ainda significa que experimentos que produzirem fótons virtuais podem, em princípio, gerar também fótons pesados. Produzir quantidades enormes de fótons virtuais pode criar quantidades detectáveis de suas versões pesadas.

Nas instalações do acelerador de feixe contínuo de elétrons, CEBAF na sigla em inglês, do laboratório Jefferson, cientistas irão catapultar elétrons em um alvo de tungstênio, o que gerará grandes números de fótons virtuais — e talvez alguns fótons pesados, também.

“O CEBAF nos proporciona um feixe de elétrons bem estável e intenso que é quase contínuo,” afirma Stepan Stepanyan do laboratório Jefferson, um dos três porta-vozes da colaboração internacional HPS, que inclui mais de 70 cientistas. “É um lugar único para realizar esse experimento.”

Os fótons virtuais e potencialmente pesados produzidos no CEBAF irão decair em pares de elétrons e pósitrons. Um detector de silício posicionado bem atrás do alvo irá rastrear o caminho dos pares, e um calorímetro eletromagnético irá medir suas energias. Pesquisadores utilizarão essa informação para reconstruir a exata localização na qual o par de elétron-pósitron foi produzido e determinar a massa do fóton original que criou o par. Ambas, a localização do caminho dos pares e a medição de sua energia, são importantes dados para isolar os fótons pesados em meio aos outros.

A massa do fóton medida no experimento é relevante porque um fóton pesado possui uma massa única, enquanto que fótons virtuais aparecem para nós em um espectro variado de massas. “O fóton pesado se revelaria como uma anomalia em meio à um fundo de dados constantes de decaimento de fótons virtuais,” afirma John Jaros do Laboratório e Acelerador Nacional SLAC, outro porta-voz do HPS.

A localização na qual o par elétron-pósitron foi produzido importa também por que fótons virtuais decaem quase instantaneamente quando atingem o alvo, diz Timothy Nelson, líder do projeto do detector de silício, o qual está sendo construído no SLAC. Fótons pesados poderiam decair mais lentamente, após viajarem para além do alvo. Portanto, fótons que decaiam fora do alvo só poderiam ser os pesados. A habilidade única detector de silício do HPS de identificar os decaimentos fora do alvo o destaca em meio à outros experimentos na caçada mundial dos fótons pesados.

O calorímetro do HPS, cuja construção foi encabeçada pelos pesquisadores do Institut de Physique Nucléaire, na França; do Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, na Itália e do Jefferson Lab. O calorímetro está atualmente sendo testado no Jefferson Lab, enquanto que cientistas no SLAC lançaram seu detector em 2015. O experimento começou na primavera de 2015.

Todos os primeiros resultados da busca pela luz escura e fótons pesados podem ser acessados aqui, e em breve serão traduzidos.

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