Cerca de 80% de toda a matéria do cosmos é de uma forma completamente desconhecida para a física atual. Chamamos isso de matéria escura, porque, da melhor maneira que podemos dizer, é ... escuro. Experimentos ao redor do mundo estão tentando capturar uma partícula de matéria escura perdida na esperança de entendê-la, mas até agora elas ficaram vazias.
Recentemente, uma equipe de teóricos propôs uma nova maneira de caçar a matéria escura usando "partículas" estranhas chamadas magnons, um nome que eu não inventei apenas. Essas pequenas ondulações podem atrair até mesmo uma partícula de matéria escura fugaz e leve, dizem os teóricos.
O quebra-cabeça da matéria escura
Sabemos todo tipo de coisa sobre a matéria escura, com a notável exceção do que é.
Mesmo que não possamos detectá-lo diretamente, vemos a evidência da matéria escura assim que abrimos nossos telescópios para o universo mais amplo. A primeira revelação, nos anos 30, veio de observações de aglomerados de galáxias, algumas das maiores estruturas do universo. As galáxias que os habitavam estavam simplesmente se movendo rápido demais para serem mantidas juntas como um aglomerado. Isso ocorre porque a massa coletiva das galáxias fornece a cola gravitacional que mantém o aglomerado unido - quanto maior a massa, mais forte é a cola. Uma cola super forte pode unir até as galáxias em movimento mais rápido. Mais rápido e o cluster simplesmente se separaria.
Mas ali estavam os aglomerados, com galáxias zumbindo dentro deles muito mais rápido do que deveriam, devido à massa do aglomerado. Algo tinha aderência gravitacional suficiente para manter os aglomerados unidos, mas algo não estava emitindo ou interagindo com a luz.
Esse mistério persistiu sem solução ao longo das décadas e, na década de 1970, a astrônoma Vera Rubin aumentou bastante a aposta através de observações de estrelas dentro de galáxias. Mais uma vez, as coisas estavam se movendo rápido demais: dada a massa observada, as galáxias em nosso universo deveriam ter se separado há bilhões de anos. Algo estava mantendo-os juntos. Algo invisível.
A história se repete em todo o cosmos, no tempo e no espaço. Desde a luz mais antiga do Big Bang até as maiores estruturas do universo, algo desagradável está por aí.
Procurando no escuro
Portanto, a matéria escura está presente - não podemos encontrar nenhuma outra hipótese viável para explicar o tsunami de dados em apoio à sua existência. Mas o que é isso? Nosso melhor palpite é que a matéria escura é algum tipo de partícula nova e exótica, até então desconhecida pela física. Nesta foto, a matéria escura inunda todas as galáxias. De fato, a parte visível de uma galáxia, vista através de estrelas e nuvens de gás e poeira, é apenas um pequeno farol contra uma costa muito maior e mais escura. Cada galáxia fica dentro de um grande "halo" composto de zilhões e zilhões de partículas de matéria escura.
Essas partículas de matéria escura estão fluindo pelo seu quarto agora. Eles estão fluindo através de você. Uma chuva interminável de minúsculas partículas invisíveis de matéria escura. Mas você simplesmente não os percebe. Eles não interagem com a luz ou com partículas carregadas. Você é feito de partículas carregadas e é muito amigável com a luz; você é invisível para a matéria escura e a matéria escura é invisível para você. A única maneira de "ver" a matéria escura é através da força gravitacional; a gravidade percebe todas as formas de matéria e energia do universo, escuras ou não; portanto, nas maiores escalas, observamos a influência da massa combinada de todas essas inúmeras partículas. Mas aqui no seu quarto? Nada.
A menos que, esperamos, haja alguma outra maneira pela qual a matéria escura interaja conosco matéria normal. É possível que a partícula da matéria escura, qualquer que seja, também sinta a força nuclear fraca - responsável pela deterioração radioativa - abrindo uma nova janela para esse reino oculto. Imagine construir um detector gigante, apenas uma grande massa de qualquer elemento que você tenha à mão. As partículas de matéria escura fluem através dele, quase todas completamente inofensivas. Mas, às vezes, com uma raridade dependendo do modelo específico de matéria escura, a partícula que passa interage com um dos núcleos atômicos dos elementos no detector através da força nuclear fraca, deixando-o fora do lugar e fazendo com que toda a massa do detector tremor.
Digite o magnon
Essa configuração experimental funciona apenas se a partícula de matéria escura for relativamente pesada, oferecendo força suficiente para nocautear um núcleo em uma dessas raras interações. Mas até agora, nenhum dos detectores de matéria escura do mundo viu qualquer vestígio de interação, mesmo depois de anos e anos de pesquisa. À medida que os experimentos avançaram, as propriedades permitidas da matéria escura foram lentamente descartadas. Isso não é necessariamente uma coisa ruim; simplesmente não sabemos do que é feita a matéria escura; portanto, quanto mais sabemos sobre o que não é, mais clara é a imagem do que poderia ser.
Mas a falta de resultados pode ser um pouco preocupante. Os candidatos mais pesados para a matéria escura estão sendo descartados e, se a misteriosa partícula for muito clara, ela nunca será vista nos detectores, pois estão configurados agora. Ou seja, a menos que haja outra maneira pela qual a matéria escura possa falar com a matéria regular.
Em um artigo recente publicado na revista on-line de pré-impressão arXiv, os físicos detalham uma configuração experimental proposta que pode detectar uma partícula de matéria escura no ato de alterar o giro dos elétrons (se, de fato, a matéria escura puder fazer isso). Nesta configuração, a matéria escura pode ser potencialmente detectada, mesmo que a partícula suspeita seja muito clara. Isso é possível criando os chamados magnons no material.
Finja que você tem um pedaço de material a uma temperatura zero absoluta. Todos os giros - como minúsculos ímãs de barra - de todos os elétrons nessa questão apontarão na mesma direção. À medida que você aumenta a temperatura lentamente, alguns elétrons começam a acordar, se movimentar e apontar aleatoriamente seus giros na direção oposta. Quanto mais alta a temperatura, mais elétrons são invertidos - e cada uma dessas inversões reduz a força magnética em apenas um pouco. Cada uma dessas rotações invertidas também causa uma pequena ondulação na energia do material, e essas manobras podem ser vistas como uma quase partícula, não uma partícula verdadeira, mas algo que você pode descrever com a matemática dessa maneira. Essas quasipartículas são conhecidas como "magnons", provavelmente porque são como pequenos ímãs bonitinhos.
Portanto, se você começar com um material realmente frio, e partículas de matéria escura suficientes atingirem o material e girarem alguns giros, você observará magnons. Devido à sensibilidade do experimento e à natureza das interações, essa configuração pode detectar uma partícula leve de matéria escura.
Ou seja, se existir.
Paul M. Sutter é um astrofísico da Universidade Estadual de Ohioanfitrião de Pergunte a um astronauta e Rádio Espaciale autor de Seu lugar no universo.
