Hoje, muitas equipes de pesquisa em todo o mundo estão tentando detectar a matéria escura, uma substância invisível que se acredita ser responsável pela maior parte da matéria do universo. Como não reflete nem emite luz, sua presença foi indiretamente revelada por meio de suas interações gravitacionais com a matéria visível.
Até agora, os candidatos à matéria escura mais promissores são áxions, neutrinos e partículas massivas de interação fraca. Recentemente, no entanto, alguns físicos também começaram a investigar a possibilidade de que outro tipo de partículas hipotéticas, grávitons massivos, pudessem ser candidatos viáveis à matéria escura.
A teoria sugere que grávitons massivos foram produzidos durante colisões entre partículas comuns no ambiente quente e denso do Universo primitivo, nos poucos instantes após o Big Bang. Embora as teorias prevejam sua existência, essas partículas até agora nunca foram detectadas diretamente.
Pesquisadores da Universidade da Coréia e da Universidade de Lyon realizaram recentemente um estudo teórico explorando a possibilidade de que grávitons massivos possam ser bons candidatos à matéria escura. Os resultados de seus cálculos teóricos foram publicados em um artigo na Physical Review Letters.
“Nosso estudo começou analisando dimensões extras, particularmente dimensões extras distorcidas, que foram muito estudadas nos últimos 20 anos”, disse Giacomo Cacciapaglia, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “Quando a gravidade se propaga nesse espaço invisível, ela materializa grávitons massivos. Seu acoplamento à matéria comum é muito fraco, sendo de origem gravitacional.”
O processo pelo qual grávitons massivos teoricamente seriam produzidos é extremamente raro. Por esta razão, a taxa na qual essas partículas são produzidas seria significativamente menor do que a taxa de produção de partículas “comuns”. Cacciapaglia e seus colegas Haiying Cai e Seung Lee se perguntaram se grávitons massivos suficientes foram produzidos no início do universo para serem considerados um bom candidato à matéria escura.
“Ao calcular a taxa de produção dessas partículas, descobrimos que alguns processos são aprimorados abaixo da escala em que o bóson de Higgs gera massas para as partículas comuns, 1 picossegundo após o Big Bang”, disse Cacciapaglia. “Mostramos que esse aprimoramento é suficiente para criar a quantidade certa de matéria escura na forma de gravitons massivos com massas abaixo do MeV.”
Os cálculos realizados por Cai, Lee e Cacciapaglia mostram que, em vez de estar associada à física desconhecida que ocorreu logo após o Big Bang, a produção de grávitons massivos é mais eficaz abaixo da escala de energia em que residem os bósons de Higgs. Os bósons de Higgs são partículas elementares que carregam o campo de Higgs, o campo que dá massa a partículas fundamentais, como elétrons e quarks.
“Isso traça uma conexão direta entre a física estudada no Grande Colisor de Hádrons em Genebra e a física do Universo inicial da gravidade e da matéria escura”, disse Cacciapaglia. “Nossos resultados implicam que a matéria escura gravitacional é produzida 1 picossegundo após o Big Bang, em um momento em que a física de partículas é bem descrita pelas teorias atuais”.
No futuro, os resultados reunidos por essa equipe de pesquisadores poderão inspirar novos estudos e cálculos explorando a produção de grávitons massivos no universo. Enquanto isso, Cacciapaglia e seus colegas planejam desenvolver o modelo teórico apresentado em seu artigo, ao mesmo tempo em que avaliam outros candidatos à matéria escura.
“Agora planejamos investigar outras características de um modelo de concreto em dimensão extra deformada que esboçamos no artigo”, acrescentou Cacciapaglia. “Estamos particularmente interessados no papel desempenhado por uma partícula escalar chamada radion e na potencial testabilidade em colisores de partículas atuais e futuros”.
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