A Matéria Escura é Feita de Axions?

Na semana passada, quando os cientistas de um laboratório italiano anunciaram que os blips inesperados em seu detector poderiam ser de partículas subatômicas há muito procuradas, conhecidas como axions, seus colegas estavam cautelosamente otimistas: Na física, as supostas detecções de novas partículas muitas vezes desvanecem a insignificância à medida que os pesquisadores recolhem mais dados. E há outras explicações, mais prosaicas, para os blips. Por outro lado, o caso teórico da existência dos axiónios é convincente para muitos físicos. E as partículas hipotéticas são um dos principais candidatos à matéria negra, a substância misteriosa que constitui a maior parte do universo material. Confirmar que os axiónios são reais seria um avanço para a física das partículas – e uma descoberta com implicações de longo alcance para a nossa compreensão da composição e história do universo.

A história dos axiónios começa nos anos 70, quando os físicos que desenvolvem o Modelo Padrão – a estrutura que descreve as partículas conhecidas e as suas interacções – notaram algo de estranho sobre a forte força nuclear, que liga os quarks para formar os prótons e os neutrões dentro dos núcleos dos átomos. Esta força de alguma forma regula a estrutura dos nêutrons para torná-los perfeitamente simétricos. Por outras palavras, embora o nêutron seja neutro, os quarks dentro dele carregam carga – e por razões desconhecidas, esta carga é distribuída de forma incrivelmente uniforme (pelo menos para dentro de uma parte em um bilhão, de acordo com as últimas medições). Na linguagem da física das partículas, diz-se que o nêutron tem simetria de carga-paridade (CP): inverter todas as suas cargas de positivas para negativas, ao mesmo tempo que se vê o seu comportamento num espelho, não teria nenhum efeito discernível. A questão de porque a partícula tem este arranjo ficou conhecida como o “problema da CP forte”

Então, em 1977 Helen Quinn e o falecido Roberto Peccei, ambos então na Universidade de Stanford, propuseram uma solução: talvez haja um campo até então desconhecido que permeia todo o espaço e suprime as assimetrias do nêutron. Mais tarde, os físicos teóricos Frank Wilczek e Steven Weinberg deduziram que se o Modelo Padrão fosse ajustado para permitir tal campo, isso implicaria a existência de uma nova partícula, apelidada de axioma. (Wilczek teve a ideia do nome a partir de uma marca de detergente de roupa). O axioma não teria um “spin” mecânico quântico, tornando-o um bóson. Sua massa, embora não zero, seria incrivelmente pequena.

Embora seu peso desaparecesse minúsculo, os axions existiriam em números tão vastos que os físicos logo perceberam que poderiam ser responsáveis por grande parte da massa “ausente” do universo: Observações astronómicas desde os anos 30 sugerem que a matéria visível – galáxias, estrelas, planetas e assim por diante – representa menos de um sexto da massa total de toda a matéria no cosmos, com a matéria escura a constituir o resto. A natureza desta matéria escura tem sido tema de intenso debate desde então.

“O axioma faz realmente um bom candidato à matéria escura”, diz Peter Graham de Stanford. Para além da expectativa de que o cosmos deveria ser inundado pelas partículas, os axiomas seriam naturalmente “escuros”, o que significa que dificilmente interagiriam com a matéria ordinária. O universo gosta de produzir axiónios”, diz Graham, “e gosta de os produzir de tal forma que eles agiriam como a matéria escura fria que sabemos que anda por aí”, “

“Frio” é uma importante advertência: os axiónios que os investigadores supostamente detectaram com a experiência XENON1T no Laboratório Nacional do Gran Sasso, na Itália, teriam provavelmente sido produzidos dentro do nosso sol. Eles seriam altamente energéticos e, portanto, improvável que fossem um componente de matéria escura. Os axiomas da matéria escura teriam de ser de movimento lento, ou frio, para que pudessem aglomerar-se para guiar gravitacionalmente a evolução das galáxias – como se acredita que a matéria escura faça. Os teóricos suspeitam que tais axiónios possam ter sido produzidos no universo primitivo. Além disso, porque os processos pensados para criar axiónios frios podem estar relacionados com o impulso inicial de crescimento do Universo – um extraordinário balonamento em tamanho conhecido como inflacionário – e um estudo mais aprofundado destas partículas elusivas poderiam ajudar os físicos a compreender os primeiros momentos após o big bang. Embora a descoberta dos axiomas não provasse que a inflação aconteceu, diz Graham, ela proporcionaria um valioso vislumbre da física daquela época. “Para mim, isso é o que os axiónios têm de excitante”, acrescenta ele.

Os cientistas da XENON1T estão a reagir com cautela – incluindo os da equipa da XENON1T. Tudo o que eles têm a certeza é que viram um número surpreendentemente grande de “enrolamentos” de electrões na enorme cuba de xenon líquido que é o coração da experiência. O que fez os electrões saltar está aberto a debate. Se partículas subatômicas chamadas neutrinos têm propriedades magnéticas imprevistas, este arranjo pode ser responsável pelos resultados observados. Ou a explicação poderia ser mais mundana: o xénon poderia estar meramente contaminado com trítio – uma forma mais pesada de hidrogénio, cuja radiação natural poderia ter turvado o sinal visto no XENON1T. Além disso, o nível de confiança associado ao sinal anómalo é de apenas “3,5 sigma” – o que significa que há uma hipótese em 5.000 de o “sinal” ser na realidade apenas ruído, o produto de flutuações estatísticas e não de uma nova física genuína. Essas probabilidades podem parecer boas, mas estão bem abaixo do padrão de um em 3,5 milhões, ou “cinco sigma”, tradicionalmente ligado a descobertas legítimas na física de partículas.

Além de acumular mais dados e atualizar seu experimento, os pesquisadores do XENON1T irão procurar por quaisquer mudanças anuais no sinal aparente. Os axiomas solares devem fazer com que esse sinal flutue à medida que a Terra orbita o Sol. Enquanto isso, evidências corroborantes podem vir da Experiência Axion Dark Matter (ADMX) na Universidade de Washington ou de uma experiência conhecida como CAST (CERN Axion Solar Telescope) no CERN, perto de Genebra. A ADMX já conseguiu colocar novas restrições à massa do axioma, e a CAST tem procurado os axiomas solares desde 2003.

Se os axiomas se revelassem reais, seria “um triunfo da física teórica – ter feito este tipo de argumento estético, e então a natureza diz: ‘Sim, isso mesmo'”, diz Wilczek, que está baseado no Massachusetts Institute of Technology e foi co-recipiente do Prêmio Nobel de Física de 2004 por seu trabalho teórico sobre a força nuclear forte. A existência de axiomas, diz ele, apontaria para uma nova física além do Modelo Padrão – algo que ele e os seus colegas têm vindo a antecipar há décadas. Novos tipos de antenas poderiam ser construídas para procurar axions criados no universo inicial, sugere Wilczek. Se esses axiomas pudessem ser medidos com sucesso, “abriria um novo capítulo em astronomia”, acrescenta ele, porque o comportamento das partículas poderia lançar luz sobre a formação da galáxia e “possivelmente outras coisas surpreendentes”

Embora tais desenvolvimentos fossem provavelmente dignos de um Nobel, Wilczek não está abrindo espaço em sua prateleira para uma segunda medalha. Mas se outro Nobel viesse no seu caminho, ele diz, ele “não recusaria”.”