Um evento no ATLAS entre dois fótons. Os fótons são denotados pelos rastros de energia na cor verde.

(ISNS) — A matéria escura é presentemente um dos maiores mistérios do universo. Agora os cientistas revelam que o mais poderoso colisor de partículas do mundo não desencavou qualquer indício dessa forma hipotética de matéria, o que coloca novos limites para aquilo que ela pode ser.

A matéria escura é, hipoteticamente, uma substância invisível e enigmática que – se acredita – deve responder por quase cinco sextos de toda a matéria existente no cosmo. Os astrônomos começaram a suspeitar de sua existência na década de 1930, quando perceberam que o universo parecia possuir mais massa do que aquela das estrelas (e todo o resto de matéria observável). Por exemplo, a velocidade com que as estrelas orbitam o centro da Via Láctea é tão grande que elas já deveriam ter vencido a atração gravitacional do núcleo da galáxia e terem escapado para o vazio intergalático, mas alguma coisa as mantem no lugar, coisa esta que a maioria dos pesquisadores acredita ser a gravidade de um material até hoje não observado: a matéria escura.

Os cientistas já descartaram todas as formas conhecidas de matéria candidatas ao papel de matéria escura. Até o presente o consenso é que a matéria escura seja constituída de uma forma nova e invisível de partículas, as quais só interagiriam muito fracamente com a matéria conhecida.

A matéria escura não pode ser explicada por qualquer uma das partículas do Modelo Padrão da física de partículas, a melhor descrição atual para o mundo na escala subatômica. Desta forma, elas devem aparecer a partir de uma física que vá além do Modelo Padrão. Uma das possibilidades está na ideia conhecida como supersimetria, a qual sugere que todos os tipos de partículas conhecidos do Modelo Padrão têm uma contrapartida, ainda não detectada. Por exemplo, os elétrons teriam suas contrapartidas denominadas selétrons. Outra possibilidade é a existência de partículas conhecidas como áxions, originalmente propostas pelos físicos teóricos para solucionar um dos enigmas relacionados com a força nuclear forte, uma das quatro forças fundamentais do universo, que mantém coesos os prótons e nêutrons do núcleo atômico.

A maior parte das experiências que buscam a matéria escura envolve gigantescos detectores subterrâneos que procuram as raras colisões entre a matéria comum e partículas de matéria escura que passam através da Terra. No entanto, muitas das teorias sugerem que o maior colisor de partículas já construído, o Large Hadron Collider, pode gerar partículas de matéria escura. Embora essas partículas de matéria escura consigam escapar indetectadas pelos sensores da máquina, os cientistas do LHC em Genebra, Suíça, ou aqueles por todo o mundo que fazem a interpretação dos dados das colisões, poderiam inferir sua existência a partir do comportamento de outros produtos dessas colisões. Eles poderiam usar os dados das colisões para inferir detalhes desses pedacinhos de matéria escura, tais como suas massas e suas seções de choque — quer dizer, a probabilidade delas interagirem com outras partículas.

Buscas anteriores pela matéria escura no LHC procuravam por jatos individuais de partículas, formadas quando se estraçalha próton contra próton em níveis de energias sem precedentes. Durante a temporada de 2012 do LHC run, a colaboração ATLAS realizou experiências com colisões mais complexas que geravam não apenas um único jato, como também dois jatos estreitos adicionais.

Estas novas descobertas excluem enfaticamente vários potenciais candidatos a matéria escura e a pesquisa foi detalhada online na Physical Review Letters. Especificamente, o trabalho “coloca interessantes restrições nas tentativas de estender o Modelo Padrão de física de partículas de forma mínima para explicar a matéria escura”, segundo o físico de astropartículas Gianfranco Bertone da Universidade de Amsterdam (que não tomou parte na pesquisa).

Embora estas descobertas excluam alguns possíveis candidatos a matéria escura, “Eu não penso que isso seja realmente um grande problema para as teorias de matéria escura, no momento”, diz o físico de partículas Andreas Hoecker, vice coordenador da Experiência ATLAS no CERN. “A melhor  teoria que temos para a matéria escura, a supersimetria, não fica excluída com estes resultados”.

Os cientistas estão agora fazendo melhorias nos aceleradores do LHC. “Em meados de 2015, o acelerador vai ser novamente ligado e terá uma capacidade de quase o dobro da energia que antes”, diz Hoecker. Isto significa que as futuras experiências “poderiam procurar pela formação de partículas supersimétricas, tais como squarks, gluínos e neutralinos com massas muito maiores do que o permitido nos dados anteriores”. Não se espera que as experiências do LHC detectem áxions, já que estes teoricamente têm seções de choque muito baixa, além das capacidades do acelerador.

Além disto, por volta de 2022, os melhoramentos no LHC devem atingir uma luminosidade 10 vezes maior — ou seja, esmagar 10 vezes mais prótons contra um alvo, a cada seção. Isso pode gerar potenciais partículas de matéria escura em números bem maiores do que antes, talvez em número suficiente para sua detecção, a despeito da raridade de sua interação com outras partículas, acrescenta Hoecker.

Se o LHC não detectar coisa alguma, mesmo a essas energias maiores e maior luminosidade, “ainda fica muito difícil excluir totalmente os modelos de supersimetria, porém os cientistas provavelmente vão perder o interesse”, argumenta Bertone. “Possivelmente os pesquisadores vão ter que procurar em outro lugar”.

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Charles Q. Choi é um escritor de ciências freelance com base em Nova York que já escreveu para The New York Times, Scientific American, Wired, Science, Nature, e várias outras publicações