Matéria escura pode ter sabores misturados e evaporação quântica

Com informações da Universidade do Kansas - 19/09/2014

Distribuição da matéria escura no Universo calculada dentro do paradigma "matéria escura de dois componentes de sabores misturados".
[Imagem: Mikhail V. Medvedev]

No escuro

Os astrofísicos acreditam que cerca de 80% da matéria do nosso Universo é composta de uma misteriosa "matéria escura", que não pode ser percebida pelos sentidos humanos e nem detectada pelos instrumentos científicos.

A ideia vem das observações da enorme velocidade com que as galáxias giram. Deve haver alguma coisa que gere uma gravidade que evite que elas se esfacelem, arremessando estrelas para todos os lados - essa "alguma coisa" recebeu a denominação de matéria escura.

Como nenhum experimento conseguiu detectar qualquer indício da matéria escura até agora, há uma verdadeira corrida para tentar explicá-la de uma forma que faça mais sentido.

Mikhail Medvedev, professor de física e astronomia da Universidade do Kansas, nos Estados Unidos, está propondo agora um novo modelo para explicar a matéria escura, que ele batizou de "matéria escura multicomponente de sabores misturados."

A proposta está sendo levada tão a sério que mereceu a capa da revista Physical Review Letters, o periódico de maior prestígio no mundo da física.

Mistura de sabores

A teoria de Medvedev se fundamenta no comportamento de partículas elementares, algumas já observadas, outras hipotéticas.

De acordo com o Modelo Padrão da física, as partículas elementares - classificadas como quarks, léptons e bósons - são os tijolos com que são feitos os átomos. As propriedades - que os físicos chamam de "sabores" - dos quarks e dos léptons costumam intercambiar, já que eles podem combinar-se uns com os outros em um fenômeno chamado "mistura de sabores".

"Na vida cotidiana, estamos acostumados com o fato de que cada partícula, ou um átomo, tem uma certa massa," explica Medvedev. "Uma partícula de sabor misturado é estranha - ela tem várias massas ao mesmo tempo - e isso leva a efeitos fascinantes e incomuns."

Ele compara essa multiplicidade de massas com a luz branca, que contém várias cores, que podem ser decompostas para gerar um arco-íris.

"Se o branco for um sabor especial, então vermelho, verde e azul seriam diferentes massas - massa um, dois e três - que se misturam para formar o branco," diz ele. "Alterando as proporções de vermelho, verde e azul na mistura, pode-se fazer cores diferentes, ou outros sabores, além do branco."

Medvedev afirma que se supõe que as candidatas a partículas de matéria escura também tenham sabores mistos - como neutralinos, áxions e neutrinos estéreis. "Estes são, de fato, os candidatos preferidos, dos quais as pessoas falam o tempo todo," disse ele.

Ilustração do efeito da "evaporação quântica".
[Imagem: Mikhail V. Medvedev/Universidade do Kansas]

Evaporação quântica

"Anteriormente nós descobrimos que as partículas com mistura de sabores podem 'evaporar quanticamente' de um poço gravitacional se elas forem 'sacudidas' - significando que elas colidam com outra partícula," disse o físico. "Isto é um resultado notável, como se uma nave espacial feita de matéria de sabor misturado e arrastada sobre um quebra-molas projetasse-se para o espaço sem foguete ou qualquer outro meio ou esforço."

Medvedev incluiu o processo físico da evaporação quântica e as partículas com mistura de sabores em um "código numérico cosmológico" e utilizou supercomputadores para rodar simulações e ver o que acontecia.

Para entender os resultados, contudo, é necessário ver o que os modelos e as simulações vinham dizendo até agora.

Matéria escura fria

Os indícios dão conta de que a matéria escura só interage muito fracamente com a matéria normal, o que pode explicar porque nenhuma das várias experiências de detecção direta em curso em todo o mundo teve sucesso até agora.

• Busca pela matéria escura tem dois fracassos em uma semana

Então os físicos desenvolveram um modelo de matéria escura completamente sem colisões (partículas não interagentes) e fria (ou seja, com velocidades térmicas muito baixas), com uma constante cosmológica (a desconcertante densidade de energia encontrada no vazio do espaço exterior) - eles chamam tudo isso de "modelo lambda-CDM" (Cold Dark Matter, matéria escura fria).

O problema é que esse modelo nem sempre fica de acordo com os dados observacionais.

Entram em campo então as simulações de Medvedev, que resolvem várias dessas inconsistências - ou, pelo menos, as mais graves.

"Nossos resultados demonstraram que o modelo de matéria escura de dois componentes com mistura de sabores resolve todos os problemas mais prementes do Lambda-CDM simultaneamente," concluiu Medvedev.

A nova teoria poderá inspirar os experimentalistas a construir novas formas de detecção que finalmente lancem alguma luz sobre essa problemática ideia de uma matéria escura.

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