Uma nova maneira de detectar matéria escura

Título: Quantum Forces from dark matter and where to find them

Autor: Sylvain Fichet

Instituição do primeiro autor: IFT/Unesp e ICTP/SAIFR

Status: Publicado na revista Physical Review Letters, [acesso aberto no arXiv]

Em busca da Matéria Escura

A matéria Escura é um dos grandes mistérios da física moderna, e intriga pesquisadores da cosmologia, da astrofísica e da física das partículas. Além do fato de que a matéria escura não interage (ou muito pouco) com a luz, sabemos quase nada sobre as outras propriedades dela, incluindo a massa, o spin e suas interações, especialmente com os núcleons que formam a matéria ordinária. Técnicas de buscas são desenvolvidas em todas as escalas. Para entender essas técnicas, é conveniente olhar o diagrama das interações da matéria escura com os núcleons mostrado na Fig. 1 abaixo.

diagram_DM(1)
Fig.1: Acoplamento entre os núcleons e a matéria escura, e os vários processos possíveis

Em uma primeira situação, se duas partículas de matéria escura se encontram, elas podem se aniquilar em dois núcleons. Essa aniquilação pode acontecer no espaço, especialmente nas regiões de alta densidade como o centro da galáxia, induzindo um fluxo de partículas cósmicas chegando até a Terra.  Podemos buscar matéria escura olhando esses raios cósmicos, especialmente o fluxo de antiprótons, para os quais existem poucas fontes astrofísicas.

Em um segundo caso, se dois núcleons se encontram, eles podem produzir matéria escura. Esta é uma técnica usada em colisores como o LHC.

Finalmente, na última situação, uma partícula de matéria escura pode se dispersar em um núcleon. Se vivemos realmente numa nuvem de matéria escura, temos um “vento” de matéria escura passando pela Terra. Logo, existe a possibilidade de que uma partícula de matéria escura empurre levemente um núcleon às vezes. Essa técnica seria uma forma de “detecção direta” da matéria escura.

Pode parecer que essas três técnicas usam todas as possibilidades de interação entre a matéria escura e os núcleons. Mas o astropontos de hoje irá mostrar que não é o caso.

Uma força quântica induzida pela Matéria Escura

Esse artigo publicado no PRL não é sobre um história de Star Wars escrita por J. K. Rowling, mas é sobre um novo método de busca da matéria escura. A idéia desse artigo é essencialmente de fechar a linha de matéria escura no diagrama acima, e de colocar uma outra interação (como mostrado na Fig.2).

diagram_force2
Fig.2:  Fechando a linha da matéria escura no diagrama da Fig 1. gera um outro diagrama induzindo uma força entre os núcleons.

Assim, temos uma interação quântica induzida pela matéria escura entres os núcleons. A partícula de matéria escura é só uma partícula “virtual” nesse fenômeno.

Desenhar um diagrama é fácil, mas entender as consequências dele é mais complicado. O autor do artigo percebeu que o diagrama induz uma força macroscópica entre os núcleons. Essa força é similar a uma força de Van der Waals, mas levando em conta a relatividade, e portanto ela é chamada força de Casimir-Polder. Estamos falando aqui de teoria quântica relativista, então é necessário usar a Teoria Quântica dos Campos para calcular essa força. Esse tipo de força pode variar com 1/r4, 1/r6, 1/r8 dependendo do spin da partícula de matéria escura e das suas interações com os núcleons.

Mas como detectar essa nova força ?

Esse fenômeno talvez seja não-observável. Mas existem experimentos de espectroscopia molecular e de espalhamento de nêutrons que tem uma alta sensibilidade. Por exemplo, a espectroscopia molecular mede frequências de transição entre os estados das moléculas. Essa nova força induzida pela matéria escura mudaria levemente as frequências esperadas. Uma detecção como esta pode ser possível por que medidas e cálculos de muito alta precisão foram realizados esses últimos dez anos. Então podemos realmente considerar esses experimentos como um novo jeito de procurar matéria escura.

Complementaridade com os métodos de detecção direta

Como mencionado anteriormente,  existem muitos outros métodos de busca, como a detecção direta.  A pergunta é: seria este método relevante? A resposta é sim, em particular existe uma complementaridade entre os experimentos de detecção direta com o método da força quântica. Os métodos de detecção direta tentam ver a minúscula colisão de uma partícula de matéria escura com um núcleo de xenônio, por exemplo. Para ver essa colisão, temos que observar o recuo do núcleo. Mas essa técnica deixa de funcionar se a particula de matéria escura é leve demais, porque o recuo é bastante pequeno. No caso da busca usando a força induzida pela matéria escura, é o oposto! A força pode ser observada só se partícula de matéria escura é leve o suficiente. Então temos uma complementaridade: detecção direta para a matéria escura pesada e detecção da força quando a matéria escura é leve (ver Figura 3).

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Fig.3: Gráfico da massa de matéria escura pela seção de choque entre a matéria-escura e o núcleon.A região laranja delimita os limites típicos impostos pela espectroscopia molecular. Pode-se comparar com os limites de detecção direta (em azul), evidenciando a complementaridade entre os métodos.

Uma outro estudo interessante pelo futuro é o das forças de Casimir-Polder dependente do spin, que não podem ser testadas com experimentos de espectroscopia molecular e de dispersão de nêutrons, como citados acima. Pesquisadores do Instituto Laue Langevin mostram interesse em designar experimentos com moléculas polarizadas para buscar esse outro tipo de força, que poderia tambem ser induzido pela matéria escura.

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