Novas teorias sobre a matéria escura propõem a existência de um “universo espelho”

A ciência acumulou evidências esmagadoras da existência dessa substância misteriosa, que constitui aproximadamente 80% de toda a matéria do universo. A presença da matéria escura explica o que mantém as galáxias unidas e por que elas giram da maneira que giram. Além disso, fenômenos como a estrutura em grande escala do universo e as medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas confirmam que algo — ainda a ser determinado — permeia a vasta escuridão do cosmos.

No entanto, a origem e as propriedades de suas partículas continuam sendo um enigma. Em dois artigos recentes, o professor Profumo aborda essa questão sob ângulos diferentes, mas com uma ideia central em comum: a matéria escura poderia ter surgido de forma natural a partir das condições do universo primitivo, em vez de ser uma partícula exótica que interage de maneira detectável com a matéria ordinária.

Teoria 1: O Universo Espelho

O estudo mais recente, publicado no mês passado na revista Physical Review D, explora a possibilidade de que a matéria escura tenha se formado em um “setor oculto”, uma espécie de “universo espelho” ou dimensão paralela à nossa, com suas próprias partículas e forças. Embora fosse completamente invisível para nós, esse setor escuro obedeceria a muitas das mesmas leis físicas que conhecemos em nosso universo.

A ideia se inspira na cromodinâmica quântica (QCD), a teoria que descreve como os quarks se unem para formar prótons e nêutrons. No modelo de Profumo, uma “QCD escura” replicaria essa força no setor oculto, com suas próprias “partículas escuras” (quarks escuros e glúons escuros). Essas partículas se combinariam para formar partículas compostas pesadas chamadas bárions escuros.

Sob certas condições no universo primordial, esses bárions escuros poderiam ter se tornado tão densos e massivos que colapsariam por sua própria gravidade, formando buracos negros primordiais extremamente pequenos e estáveis, com massa apenas ligeiramente superior à massa de Planck. Se tivessem se formado na quantidade adequada, esses remanescentes poderiam explicar toda a matéria escura que observamos hoje. Ao interagir apenas por meio da gravidade, seriam completamente invisíveis para os detectores de partículas.

Teoria 2: Radiação do Horizonte Cósmico

O segundo estudo de Profumo, publicado em maio, investiga se a matéria escura poderia ter sido produzida pela expansão do “horizonte cósmico” do universo, o equivalente cosmológico ao horizonte de eventos de um buraco negro.

A teoria postula que, se o universo passou por um breve período de expansão acelerada após a inflação inicial, essa fase poderia ter sido tão energética que fez com que o próprio tecido do espaço-tempo “fervesse”. Dessa energia borbulhante, semelhante ao vapor que sai da água, surgiram as partículas de matéria escura.

Sua principal vantagem é que não exige nenhuma suposição sobre como a matéria escura interage, apenas que seja estável e se produza por meio da gravidade.

“Ambos os mecanismos são altamente especulativos, mas oferecem cenários autocontidos e calculáveis que não dependem dos modelos convencionais de partículas de matéria escura, os quais estão cada vez mais pressionados pela falta de resultados nos experimentos”, explicou Profumo, subdiretor de teoria no Instituto de Física de Partículas de Santa Cruz.

Esses trabalhos continuam a longa tradição da UC Santa Cruz em cosmologia, conectando as questões mais profundas da física de partículas com o comportamento em grande escala do cosmos e expandindo os limites da física conhecida para novas e fascinantes fronteiras.

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