Caros Leitores;
Poderia quasiparticles chamadas magnons desmascarar uma partícula de matéria escura leve?
Crédito: Shutterstock
Cerca de 80% de toda a
matéria no cosmos é de uma forma completamente desconhecida da física atual. Nós
chamamos isso de matéria escura ,
porque da melhor forma podemos dizer que é ... escuro. Experiências em
todo o mundo estão tentando capturar uma partícula de matéria escura na
esperança de entendê-la, mas até agora elas apareceram vazias.
Recentemente, uma equipe de teóricos
propôs uma nova maneira de caçar a matéria escura usando estranhas
"partículas" chamadas magnons, um nome que eu não inventei apenas. Essas
minúsculas ondulações podem atrair até mesmo uma partícula de matéria escura,
leve e fugaz, escondida, dizem os teóricos. [ As 11 Maiores Perguntas Não
Respondidas Sobre Matéria Negra ]
O
enigma da matéria escura
Sabemos
todo o tipo de coisas 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, na década de
1930, veio através de observações de aglomerados de galáxias, algumas
das maiores estruturas do universo. As galáxias que as habitaram estavam
simplesmente se movendo muito rapidamente para serem mantidas juntas como um
aglomerado. Isso porque a massa coletiva das galáxias fornece a cola
gravitacional que mantém o cluster unido - quanto maior a massa, mais forte é a
cola. Uma cola super forte pode unir até mesmo as galáxias em movimento
mais rápidas. Qualquer mais rápido e o cluster simplesmente se separaria.
Mas
lá os aglomerados estavam, existindo, com as galáxias zumbindo dentro deles
muito mais rápido do que deveriam, dada a massa do aglomerado. Algo tinha
força gravitacional suficiente para manter os agrupamentos juntos, mas algo não
estava emitindo ou interagindo com a luz.
Este mistério persistiu sem solução ao longo das décadas, e na década de
1970, a astrônoma Vera Rubin elevou
a parada em grande parte por meio de observações de estrelas dentro de
galáxias. Mais uma vez, as coisas estavam se movendo rápido demais: dada a
massa observada, as galáxias do nosso universo deveriam ter se separado bilhões
de anos atrás. Algo os mantinha juntos. Algo invisível. [ 11 Fatos fascinantes sobre
nossa galáxia Via Láctea ]
A história se repete por todo o cosmos, tanto
no tempo quanto no espaço. Desde a luz inicial do Big Bang até as maiores
estruturas do universo, algo estranho está lá fora.
Pesquisando no escuro
Então, a matéria escura está muito lá - nós simplesmente não encontramos
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 uma espécie de partícula nova e exótica, até então desconhecida da
física. Nesta foto, a matéria escura inunda toda galáxia. Na verdade,
a porção visível de uma galáxia, vista através de estrelas e nuvens de gás e
poeira, é apenas um pequeno farol contra uma margem 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 pequenas partículas invisíveis de matéria escura. Mas
você simplesmente não percebe. Eles não interagem com a luz ou com
partículas carregadas. Você é feito de partículas carregadas e é muito
amigo da 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 no universo, escuras ou não, portanto, em escalas maiores,
observamos a influência da massa combinada de todas essas incontáveis
partículas. Mas aqui no seu quarto? Nada.
A menos que, esperamos, haja algum outro modo pelo qual a matéria escura
interage conosco, matéria normal. É possível que a partícula de matéria
escura, seja lá o que for, também sinta a força nuclear fraca - responsável pela decaimento
radioativo - 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. 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 por meio
da força nuclear fraca, derrubando-a do lugar e produzindo toda a massa do
detector. tremor.
Digite o magnon
Esta configuração experimental só funciona se a partícula de matéria escura for relativamente pesada ,
dando-lhe força suficiente para derrubar um núcleo em uma dessas raras
interações. Mas até agora, nenhum dos detectores de matéria escura em todo
o mundo viu qualquer traço de interação, mesmo depois de anos e anos de busca. À
medida que os experimentos avançaram, as propriedades permitidas da matéria
escura foram lentamente descartadas. Isso não é necessariamente uma coisa
ruim; nós simplesmente não sabemos do que matéria escura é feita, então
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 à matéria escura estão sendo
descartados, e se a partícula misteriosa estiver muito clara, ela nunca será
vista nos detectores como estão montados agora. Isto é, a menos que haja
outra maneira pela qual a matéria escura possa falar com a matéria regular.
Em um artigo recente publicado no arXiv , os físicos detalham uma configuração experimental
proposta que poderia identificar uma partícula de matéria escura no ato de
mudar o spin dos elétrons (se, de fato, a matéria escura puder fazer isso). Nesta
configuração, a matéria escura pode ser potencialmente detectada, mesmo se a
partícula suspeita for muito leve. Isso pode ser feito criando os chamados
magnons no material.
Finja que você tem um pedaço de material a uma temperatura de zero
absoluto. Todos os spins - como minúsculos ímãs de
barra - de todos os elétrons nesse assunto apontará na mesma
direção. À medida que você aumenta lentamente a temperatura, alguns dos
elétrons começam a despertar, movimentam-se e apontam aleatoriamente seus spins
na direção oposta. Quanto mais alto você elevar a temperatura, mais
elétrons vão se virar - e cada um desses flips reduz a força magnética em
apenas um pouquinho. Cada um desses spins invertidos também causa uma
pequena ondulação na energia do material, e essas oscilações 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 ímãs
minúsculos e bonitinhos.
Então, se você começar com um material muito
frio, e partículas de matéria escura o suficiente atacarem o material e girarem
algumas voltas ao redor, você observará magnões. Devido à sensibilidade do
experimento e à natureza das interações, essa configuração pode detectar uma
partícula de matéria escura leve.
Isto é, se existir.
Obrigado pela sua
visita e volte sempre!
Hélio
R.M. Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de
conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Membro
da Society for Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos
da NASA (National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space
Agency).
Participa do projeto S`Cool Ground Observation
(Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant
Energy System) administrado pela NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do
projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação
Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este
projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela
National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail:
heliocabral@coseno.com.br
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