Candidato a átomo de matéria escura pode ser detectado em laboratório

Com informações do Instituto Riken - 03/12/2020

Os áxions são apenas uma das partículas hipotéticas sugeridas para a matéria escura, ao lado do WIMPS, agora praticamente descartados, e dos gravitinos.
[Imagem: Universidade de Leiscester]

Partícula de matéria escura

Uma partícula hipotética que poderia resolver um dos maiores quebra-cabeças da cosmologia ficou um pouco menos misteriosa - ao menos teoricamente.

Físicos do Instituto RIKEN e da Universidade de Keio, ambos no Japão, descobriram fundamentos matemáticos que podem explicar como os chamados áxions podem gerar entidades semelhantes a cordas. A estrutura e o comportamento dessas cordas geram uma tensão elétrica "anômala", diferente do que ocorre nos materiais comuns.

O melhor de tudo é que essa tal "tensão anômola" pode ser a mesma já detectada em materiais que estão sendo estudados em laboratório e usados em testes para uma nova geração de eletrônicos.

Partícula de limpeza

Na década de 1970, físicos que estudavam a teoria da cromodinâmica quântica descreveram explicações de como algumas partículas elementares são mantidas coesas dentro do núcleo atômico. O problema era que essa teoria previa algumas propriedades bizarras para algumas dessas partículas, propriedades essas nunca observadas em laboratório.

Para consertar isso, eles propuseram a existência de uma nova partícula, mais tarde apelidada de áxion, em homenagem a uma marca de sabão em pó, porque ela ajudava a limpar uma bagunça na teoria.

E os físicos logo perceberam que os áxions também podiam resolver um enigma cósmico. Acredita-se que mais de 80% da matéria do Universo seja composta de uma misteriosa substância invisível, chamada de matéria escura porque nunca foi detectada, embora saibamos que há algo lá por causa de seus efeitos gravitacionais.

"Os áxions são candidatos à matéria escura, mas ainda não os encontramos," ressalva o pesquisador Yoshimasa Hidaka.

A teoria é muito boa, então os físicos têm procurado sinais da existência dos áxions em vários experimentos. Em junho deste ano, o experimento XENON1T relatou indícios do que poderiam ser áxions - mas esse resultado, obtido no Laboratório Gran Sasso, na Itália, ainda não foi confirmado.

Áxions em isolantes topológicos

Mas há outra arena onde as propriedades dos áxions podem ser estudadas. Materiais exóticos que têm feito sucesso nos últimos anos, conhecidos como isolantes topológicos, apresentam propriedades estranhas, como conduzir eletricidade em suas superfícies enquanto permanecem isolantes elétricos por dentro.

Esses materiais apresentam ainda outro comportamento estranho: Às vezes, seus elétrons se agrupam e se movem de tal forma que o material parece ser feito de "quasipartículas" com propriedades incomuns. Esse comportamento cria uma tensão elétrica inesperada no material - ainda sem explicações, esse efeito tem sido chamado de efeito Hall anômalo, que já foi até utilizado para criar um novo tipo de memória RAM.

Acontece que, segundo a teoria, o áxion também poderia aparecer dessa forma, nesses mesmos isoladores topológicos, onde deveria interagir com partículas de luz, os fótons, de maneira diferente das outras partículas.

Interação entre fótons e áxions

O que Hidaka e seus colegas fizeram agora foi detalhar a teoria que rege a interação entre os áxions e os fótons.

Mesmo que os áxions sejam partículas pontuais, a equipe demonstrou que, dentro dos isolantes topológicos, a luz deve interagir com arranjos de áxions que se estruturam na forma de cordas, o que eles chamam de cordas axiônicas. E essa interação entre os fótons e as cordas axiônicas produz exatamente o efeito Hall anômalo, que é observado nos experimentos.

"Nós descobrimos a estrutura matemática subjacente ao fenômeno," garante Hidaka.

A demonstração matemática do trio pode esquentar de novo a busca pelos "átomos de matéria escura", esfriada por uma longa série de fracassos experimentais.

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