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Física & Química

As origens da matéria escura

Os teóricos pensam que a matéria escura foi forjada no rescaldo quente do Big Bang.

Transições estão em toda parte nós olhamos. A água congela, derrete, ou vaporiza; ligações químicas se quebram para fazer novas substâncias a partir de diferentes arranjos de átomos.

O próprio Universo passou por grandes transições nos primeiros tempos. Novas partículas foram criadas e destruídas continuamente até que as coisas arrefeceram o suficiente para deixá-las  sobreviver.

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Essas partículas incluem aquelas que conhecemos, como o Bóson de Higgs ou o quark top. Mas eles também poderiam incluir a matéria escura, partículas invisíveis que atualmente nós apenas as conhecemos por causa de seus efeitos gravitacionais.

Em termos cósmicos, partículas de matéria escura poderia ser uma “relíquia térmica”, forjada no início do universo quente e, em seguida, foram deixadas para trás durante as transições para épocas posteriores mais moderadas. Uma dessas transições, conhecida como “freeze-out” ou “congelamento” mudou a natureza de todo o Universo.

Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Corinne Mucha

Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Corinne Mucha

O congelador cósmico quente

Em média, o universo de hoje é um lugar muito chato. Se você escolher um local aleatório no cosmos, é muito mais provável que seja no espaço intergaláctico do que, digamos, o coração de uma estrela ou mesmo um sistema solar alienígena. Esse ponto é provavelmente frio, escuro e silencioso.

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O mesmo não ocorreu para um local aleatório logo após o Big Bang.

“O Universo era tão quente que as partículas estavam sendo produzidas a partir do esmagamento de fótons com outros fótons, de fótons que atingem elétrons e elétrons batendo em pósitrons e produzindo essas partículas muito pesadas”, diz Matthew Buckley, da Universidade Rutgers.

O cosmos inteiro foi uma festa de colisão de partículas, mas elas não foram feitas para durar. Essas partículas duraram apenas um trilionésimo de segundo. Depois disso, veio o congelamento  cósmico.

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Durante o congelamento, o Universo expandiu e esfriou o suficiente para que essas partículas colidissem com muito menos frequência.

“Uma dessas partículas massivas que flutuam através do Universo estaria encontrando cada vez menos versões de antimatéria para colidir com elas mesmas e aniquilar-se“, diz Buckley.

“Eventualmente, o Universo iria ficar grande e frio o suficiente para que a taxa de produção e a taxa de aniquilação cheguem basicamente a zero, e você vê apenas uma abundância de relíquia, estas poucas partículas que estão flutuando por aí sozinha no espaço.”

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Muitos físicos acreditam que a matéria escura é uma relíquia térmica, criada em grandes números antes do cosmos  meio segundo de idade e que duraram até hoje, pois ela mal interage com qualquer outra partícula.

Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Corinne Mucha

Ilustração pelo Sandbox Studio, Chicago com Corinne Mucha

Um milagre Wimp

Uma razão para pensar de matéria escura como uma relíquia térmica é uma coincidência interessante conhecida como o “milagre WIMP.”

WIMP significa Weakly Interacting Massive Particles (partícula massiva que interage fracamente em inglês). OS WIMPs são os candidatos mais amplamente aceitos para a matéria escura. Teoria diz que os WIMPs são provavelmente mais pesados do que os prótons e interagem através da força fraca, ou pelo menos com as interações relacionadas com a força fraca.

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O último pedaço é importante, porque o congelamento para uma partícula específica depende do que das forças que as afetam, bem como a massa da partícula. Relíquias térmicas feitas pela força fraca nasceram no início da história do Universo, porque as partículas têm de estar presas firmemente pela força fraca, que só funciona em distâncias curtas.

“Se a matéria escura é uma relíquia térmica, você pode calcular o quão grande a interação [entre partículas de matéria escura] precisa ser,” diz Buckley.

Tanto a luz primordial conhecido como radiação cósmica de fundo, quanto o comportamento de galáxias nos dizer que a maior parte da matéria escura devem estar em baixa rotatividade ( “frias” na linguagem da física). Isso significa que as interações entre partículas de matéria escura devem estar em uma força baixa.

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“Talvez esse seja um fato muito profundo sobre o universo”, Buckley diz, “a interação acaba por ser a força que nós conhecemos como a força nuclear fraca.”

Esse é o milagre WIMP: Os números são perfeitos para fazer apenas a quantidade certa de matéria Wimpy.

O grande problema, entretanto, é que não foram encontradas quaisquer WIMPs nos experimentos. É muito cedo para dizer que não existem WIMPs,  algumas das previsões teóricas mais simples sobre eles ainda não foram excluídas.

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Em última análise, o milagre da WIMP poderia ser apenas uma coincidência. Em vez da força fraca, a matéria escura poderia envolver uma nova força da natureza que não afeta a matéria comum e que não envolva uma força que possamos detectar. Nesse cenário, diz Jessie Shelton, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, “você poderia usar o congelamento térmico, mas o congelamento é relacionado com a matéria escura para algum outro campo escuro em vez de [algo no] Modelo Padrão. “

Nesse cenário, a matéria escura ainda seria uma relíquia térmica, mas não uma WIMP.

Para Shelton, Buckley, e muitos outros físicos, a busca de matéria escura ainda está cheia de possibilidades.

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“Temos razões realmente convincentes para procurar WIMPs térmicas”, diz Shelton. “Vale a pena lembrar que este é apenas um pequeno canto de um espaço muito mais amplo de possibilidades.”

Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine

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Redação
Publicado por

A SoCientífica, abreviação para Sociedade Científica, nasceu em agosto de 2014 da vontade de decifrar as novidades no mundo científico e transmiti-las para uma sociedade que depende da ciência e tecnologia mas que sabe muito pouco sobre elas. Em um momento em que a desconfiança está se sobressaindo e novas ondas negacionistas de evidências surgem, a SoCientífica está empenhada em ajudar a trazer iluminação para a sociedade novamente.

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