Cientistas estão caçando o “fóton escuro” — um portal para o universo das trevas

Aparentemente, o Universo é cheio de matéria escura — cerca de seis vezes mais matéria escura do que a matéria comum. Isso tem efeitos visíveis óbvios, como a maneira como ela torce a luz de galáxias distantes. Apesar de pesquisas dedicadas, nenhum sinal de uma partícula de matéria escura apareceu para explicar esses efeitos.

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Talvez, em vez disso, os físicos possam ser capazes de encontrar uma força escura, um portal para o mundo escuro. Um “fóton escuro” seria o equivalente da matéria escura de um fóton, uma maneira como as partículas de matéria escura interagem umas com as outras. Cientistas estão procurando essa partícula. Ela ainda não surgiu, baseado em novos resultados do Grande Colisor de Hádrons (LHC) em Genebra, na Suíça. Mas a busca não está encerrada, e muitos físicos estão bastante empolgados com isso.

“O LHCb teve que trabalhar bastante para chegar a essa faixa de massa”, Caterina Dogliona, pesquisadora da Universidade de Lund e que não esteve envolvida no estudo, disse ao Gizmodo. “A maneira como eles fizeram isso é bem legal. Eles reinventaram os dados tomando os experimentos do LHC.”

Físicos têm usado vários métodos, como grandes cubas de xênon líquido, para tentar encontrar partículas de matéria escura diretamente, mas ainda não têm nenhuma pista. Os fótons escuros aprofundariam a história da matéria escura e indicariam que existe um universo das trevas governado por forças obscuras.

“O que sabemos agora sobre matéria escura é muito pouco. Uma das questões urgentes é: como a matéria escura interage consigo mesma? Esse é um grande campo em aberto”, o autor do estudo Mike Williams contou ao Gizmodo. William disse que descobrir essa partícula poderia abrir uma área de estudo completamente nova.

Procurar, de fato, essa partícula é uma tarefa. Williams esperava que as colisões de prótons de alta energia do LHC fossem resultar em fótons escuros que então se decairiam em outras partículas chamadas de múons e suas antipartículas correspondentes. Mas existem várias maneiras menos fantasmagóricas de essas partículas na faixa de massa buscada decaírem em dois múons. Em alguns casos, procurar por ela é como tentar descobrir se alguém derrubou um saquinho de M&Ms em um tonel de M&Ms na fábrica de doces comparando os conteúdos do tonel com a produção normal da fábrica.

Doglioni ficou especialmente impressionada pela maneira como a equipe conseguiu obter todos seus dados. Experimentos de física de partículas criam tantos dados que eles têm gatilhos — detectores iniciais simplesmente dizem ao experimento para manter todos os dados da colisão ou jogá-los todos fora, baseados em parâmetros predeterminados. O LHCb atualizou seu esquema de coleta de dados para que permitisse aos gatilhos selecionar apenas os dados que eles quisessem nas colisões, os dois múons, para quaisquer eventos que os contivessem, em vez de descartar eventos completos que poderiam ter informações úteis.

Após analisar os dados, eles não conseguiram encontrar fótons escuros com massas entre 10 giga elétron-volts e 70 giga elétron-volts que imediatamente decaíssem em um par de múons (um bóson de Higgs pesa em torno de 125 GeV). Eles também não encontraram um sinal de partículas de maior duração de vida que pesassem entre 214 MeV e 350 MeV (um próton pesa pouco menos de 1.000 MeV), no que foi a primeira busca por esses fótons escuros. Os pesquisadores publicaram seus resultados na Physical Review Letters.

Mas o pessoal ainda não ficou chateado. “Estou especialmente empolgada com seus resultados para a região dos ‘fótons escuros de longa vida’, onde o fóton escuro viaja uma distância finita no detector antes de decair”, disse Suchita Kulkarni, do Instituto de Física de Alta Energia, na Áustria, em entrevista ao Gizmodo. “Essa restrição é bem incrível! Essa região ser examinada pelo LHCb… é realmente um ponto certo acessível para poucos experimentos neste momento.” Basicamente, o LHCb está procurando por um tipo de partícula que outros experimentos podem não ser capazes de encontrar. Ela também apontou que modelos de fóton mais complicados podem exigir uma outra análise desses dados.

O físico do CERN James Beacham, integrante do experimento ATLAS, também ficou animado com o resultado e disse esperar que ele motive as equipes do ATLAS e do CMS a terminar análises parecidas também. E essa busca pelo fóton escuro, que já existe há um bom tempo, vai provavelmente continuar. “Buscas pelo fóton escuro são ao mesmo tempo diretas e desafiadoras, diretas porque o conceito é geral e simples o bastante, possibilitando que a criação de buscas experimentais seja bastante fácil, mas desafiadoras porque nós realmente não fazemos ideia de onde no espaço de parâmetros o fóton escuro poderia estar”, afirmou.

Considerando todo o desconhecido em torno disso, os físicos realmente precisam de um sinal. Williams disse: “Qualquer gancho ajudaria muito a nos guiar quanto ao que fazer em seguida”.

[PRL]

Imagem do topo: Ryan F. Mandelbaum