Novo método poderá criar axões de matéria escura com núcleos acelerados

Há algo de estranho na quantidade de gravidade existente no Universo.

Quando se soma toda a matéria normal e a gravidade que deveria acompanhá-la, os valores finais revelam uma discrepância.

E não é uma diferença insignificante, uma pequena margem ou um algarismo trocado: existe muito mais gravidade do que matéria normal capaz de a gerar.

Chamamos matéria escura à fonte desconhecida deste excesso gravitacional, e os cientistas calculam que, no Universo, existe aproximadamente cinco vezes mais matéria escura do que matéria normal.

Isso implica que esta matéria misteriosa deveria estar praticamente em todo o lado - e, tanto quanto os físicos conseguem determinar, está mesmo. Contudo, continuamos sem saber o que é, quanto mais como a produzir.

Agora, um artigo teórico identificou uma nova abordagem que poderíamos experimentar.

E se, perguntam os físicos teóricos Stefan Evans e Ralf Schützhold, do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, na Alemanha, pegássemos num conjunto de núcleos atómicos e os sacudíssemos com bastante força?

Claro que não literalmente - e, evidentemente, o processo é bem mais complexo do que usar um núcleo como maraca.

A dupla propõe, porém, que acelerar núcleos com intensidade suficiente num acelerador de partículas poderá perturbar o vácuo quântico da forma adequada para criar pares de axões - partículas hipotéticas que poderão constituir matéria escura.

“Núcleos acelerados, como os presentes em colisões ultraperiféricas de iões pesados, podem criar pares entrelaçados de axões por analogia com o efeito Casimir dinâmico, que também pode ser interpretado como uma assinatura do efeito Unruh”, explicam.

Parece óbvio, mas vale a pena desenvolver a ideia.

Axões: a ligação entre a QCD e a matéria escura

Comecemos pelos axões.

Estas partículas hipotéticas são discutidas há quase meio século, embora a matéria escura não tenha sido o problema que motivou originalmente a sua proposta.

Esse problema situa-se na cromodinâmica quântica, ou QCD, a teoria que descreve a força forte responsável por unir quarks para formar protões e neutrões. Estes agrupam-se nos átomos para constituir o núcleo.

A QCD admite um determinado tipo de violação de simetria que, por motivos que os físicos não compreendem, aparentemente não acontece. Essa componente não é particularmente relevante para este artigo, por isso não iremos aprofundá-la.

O que importa é que o axão resultou de uma solução proposta para este enigma. Como benefício inesperado, as propriedades desta partícula hipotética também fizeram dela uma candidata convincente a matéria escura.

Assim, o axão pertence a dois domínios: a QCD e a matéria escura.

É a vertente da QCD que interessa neste caso.

Uma das muitas particularidades da QCD é que até o espaço aparentemente vazio não está verdadeiramente vazio. O vácuo quântico contém um fundo denominado condensado de quarks, composto por pares quark-antiquark.

No interior de um núcleo atómico, contudo, esse condensado é mais fraco - algo importante porque a intensidade do condensado de quarks ajuda a definir a massa efetiva de um axão.

Por outras palavras, se os axões existirem, deverão ser efetivamente mais leves dentro de um núcleo atómico do que no exterior. Isto transforma o núcleo num meio diferente para os axões, tal como a água é um meio distinto do ar para a luz.

A diferença mantém-se mesmo quando não existem axões por perto.

Vácuo quântico e o efeito Casimir dos axões

A mecânica quântica não permite que nem sequer um espaço totalmente vazio seja perfeitamente uniforme e imóvel. Em vez disso, os campos que permeiam o espaço conservam um nível irredutível de atividade quântica, conhecido como flutuações do vácuo.

Uma consequência invulgar destas flutuações é o efeito Casimir. Quando se colocam dois objetos extremamente próximos, podem alterar as flutuações possíveis no espaço entre ambos, em comparação com o espaço exterior.

A alteração resultante na energia do vácuo do campo pode produzir uma força mensurável entre os objetos.

Na sua versão mais conhecida, o efeito Casimir envolve o campo eletromagnético e duas placas condutoras muito próximas. Porém, em princípio, a mesma física subjacente também pode ocorrer noutros campos quânticos.

Evans e Schützhold concluíram que algo semelhante deveria suceder com o campo dos axões. Como um núcleo modifica a massa efetiva de um axão, também deverá alterar as flutuações do vácuo do campo de axões à sua volta.

Os cálculos dos investigadores indicam que, colocando dois núcleos perto um do outro, essas flutuações modificadas deverão gerar entre eles uma força atrativa semelhante ao efeito Casimir.

Portanto, temos dois núcleos imóveis que sentem uma ligeira atração mútua.

Mas o efeito Casimir torna-se ainda mais estranho quando os objetos começam a mover-se de uma forma específica.

Se aquilo que perturba um campo quântico se alterar com rapidez suficiente, essa perturbação pode transferir energia para o campo e transformar as suas flutuações do vácuo em pares de partículas reais. Trata-se do efeito Casimir dinâmico, e não é apenas teoria: os físicos já observaram a produção de fotões reais por este mecanismo.

É aqui que volta a entrar a ideia do núcleo-maraca.

Um núcleo altera as flutuações do vácuo do campo de axões apenas por existir. Contudo, se esse núcleo for acelerado com força suficiente, a região do campo de axões alterado move-se da maneira necessária para produzir a versão dinâmica do efeito Casimir.

Parte da energia envolvida na aceleração rápida do núcleo poderá então surgir sob a forma de um par de axões reais e entrelaçados.

Colisões de iões pesados para criar axões

Curiosamente, o mesmo processo também pode ser entendido de outra perspetiva.

Segundo o efeito Unruh, um observador sujeito a aceleração constante deverá percecionar como um banho quente de partículas aquilo que, para um observador sem aceleração, parece espaço vazio. Quanto maior for a aceleração, mais quente se torna esse banho aparente.

Assim, da perspetiva de um núcleo acelerado, o vácuo vazio pareceria conter um banho agradavelmente quente de axões. O núcleo poderia dispersar um axão desse banho.

No entanto, da nossa perspetiva não acelerada, não existe qualquer banho de axões. Veríamos, em vez disso, um núcleo em movimento acelerado aparentemente criar, a partir do vácuo, um par de axões entrelaçados.

A ideia parece completamente insensata e impossível - mas, como explicam os investigadores, poderemos já dispor da tecnologia necessária para a testar.

Evans e Schützhold apontam as colisões ultraperiféricas de iões pesados como um possível cenário. Tratam-se de quase-colisões entre núcleos atómicos que viajam a velocidades relativistas, nas quais os seus poderosos campos eletromagnéticos interagem sem que os próprios núcleos choquem.

Num encontro tão próximo, os núcleos sofrem a alteração brusca de movimento exigida pelo mecanismo proposto.

Pode não resultar. A probabilidade estimada de produzir um par de axões depende fortemente da massa do axão e, mesmo que seja criado um, detetá-lo constitui um desafio inteiramente diferente.

Por exemplo, poderá ser necessário um detetor sensível de matéria escura com xénon líquido, e o axão teria de seguir a direção certa para o atingir. Por isso, é provável que seja muito difícil.

Ainda assim, talvez valha a tentativa. Afinal, não se faz sopa de axões sem partir alguns ovos.

A investigação foi publicada na revista Physical Review D.

Este artigo foi verificado por Peter Dockrill e editado por Peter Dockrill. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se encontrar algum erro, informe-nos, por favor.