Evento discute a detecção de neutrinos e matéria escura | AGÊNCIA FAPESP

Evento discute a detecção de neutrinos e matéria escura Pesquisadores e estudantes de vários países participam de curso intensivo organizado pelo International Center for Theoretical Physics - South American Institute for Fundamental Research, na Unesp (foto: ICTP-SAIFR)

Evento discute a detecção de neutrinos e matéria escura

30 de julho de 2018

José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Segundo as estimativas mais atualizadas, a matéria conhecida compõe apenas cerca de 4% do conteúdo do Universo, enquanto a “matéria escura” responde por mais de 20% e a “energia escura” por mais de 70%.

Teorizada há décadas como parcela imprescindível do balanço gravitacional do Universo em várias escalas, a matéria escura ainda não foi detectada. Outra classe de partículas fugidias e misteriosas é a dos neutrinos, postulados por Wolfgang Pauli em 1930 e detectados experimentalmente por Clyde Cowan e Frederick Reines apenas em 1956.

Matéria escura e neutrinos têm muito em comum. São extremamente abundantes – o neutrino é a partícula com massa mais abundante do chamado Modelo Padrão. Interagem muito pouco com a matéria ordinária – daí a grande dificuldade de detecção. E cogita-se hoje sobre a possibilidade de que um certo tipo de neutrino – chamado de “estéril” por não participar da interação nuclear fraca – componha, junto com outras partículas exóticas, o estoque de matéria escura.

Existe atualmente um enorme esforço de pesquisa nas duas áreas, com megaprojetos como o Dune e o Dark Side. Formar uma nova geração de físicos, no Brasil e na América Latina, para atuar, teórica e/ou experimentalmente, nos dois campos de investigação é o objetivo da School on Dark Matter and Neutrino Detection, que se estenderá até 3 de agosto no International Center for Theoretical Physics - South American Institute for Fundamental Research (ICTP-SAIFR). Com sede no Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp), em São Paulo, o ICTP-SAIFR tem financiamento da FAPESP.

“A escola reúne pesquisadores de renome internacional, tanto brasileiros como estrangeiros, que tratam dos dois temas de forma integrada, aliando teoria e experimento. Esta, aliás, é uma característica fundamental e inovadora da escola, que dedicou sua primeira semana à fundamentação teórica e a segunda aos métodos de detecção e experimentos associados, tanto em andamento quanto em construção ou planejamento”, disse Martin Makler, coordenador do evento, à Agência FAPESP.

Organizada por pesquisadores do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), da Universidade Estadual Paulista (Unesp), da Universidade de São Paulo (USP), da Universidade Federal de Goiás (UFG) e da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), a escola conta com apoio da FAPESP e da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes).

“A escola pretende dar uma base aos participantes, resumindo o estado da arte do conhecimento e apontando as grandes questões que motivam o trabalho teórico e experimental nos dois campos. Além de palestras gerais, há sessões de discussão, que possibilitam aos alunos dialogar mais diretamente com os professores. E trabalho experimental em pequenos grupos, ilustrando as técnicas utilizadas nos grandes projetos de pesquisa”, disse Makler.

“Uma forte expectativa da comunidade científica é que experimentos de grande porte, como o Dune, auxiliem a responder a importantes questões em aberto. Por exemplo, o fato de o Universo ser composto apenas por matéria e não por antimatéria”, disse.

Wimps e áxions

No Modelo Padrão da Física de partículas, o neutrino participa da família dos léptons. Para cada lépton eletricamente carregado (elétron, múon e tau), há um neutrino correspondente (neutrino do elétron, neutrino do múon e neutrino do tau).

A “oscilação dos neutrinos”, isto é, a transformação de um tipo em outro, ocorre espontaneamente durante a propagação da partícula pelo espaço. Um dos principais alvos do Dune é comparar o padrão de oscilação dos neutrinos com o padrão de oscilação dos antineutrinos (as antipartículas dos neutrinos, que se distinguem dos neutrinos por terem spin em sentido horário ao invés de anti-horário).

Se esses padrões não forem rigorosamente simétricos, o experimento fornecerá uma prova concreta da chamada “violação de simetria de carga-paridade dos léptons” (CPV, de charge-parity violation). Tal violação teria produzido, logo depois do Big Bang, um pequeno excedente de matéria em relação à antimatéria. E esse excedente comporia, atualmente, todo o universo observável.

“Quanto à matéria escura, toda a astrofísica aponta para sua existência. Inclusive uma pesquisa realizada no Instituto de Física Teórica da Unesp, e publicada na revista Nature, mediu recentemente a quantidade de matéria escura existente na Galáxia. Essa evidência, obtida por meio do balanço gravitacional, já foi verificada também em outras galáxias, em aglomerados de galáxias e na estrutura em grande escala do Universo. Em princípio, uma partícula explicaria tudo isso. Mas essa partícula não foi até agora detectada”, disse Makler.

Todos os experimentos em curso ou projetados assumem que a matéria escura possa ter algum outro tipo de interação além da gravitacional. Na última década, vários desses experimentos foram direcionados para a detecção de uma partícula hipotética chamada wimp (weakly interacting massive particle, ou partícula massiva com interação fraca). Mas ainda não chegaram a resultado, o que abriu espaço para novos modelos teóricos e novos experimentos. Uma proposta que vem ganhando força é a da partícula chamada áxion.

“A wimp seria uma partícula de massa grande, comparável às massas das partículas elementares conhecidas, produzida em um Universo primordial muito quente e muito denso, por um mecanismo semelhante ao que teria dado origem às partículas conhecidas. O resfriamento do Universo teria fixado o número de wimps existentes, que, por não participarem da interação eletromagnética, não teriam sido detectados até agora. Já os áxions seriam partículas extremamente leves e frias, produzidas por um mecanismo diferente, e capazes de responder a um campo magnético muito forte”, disse Makler.

Existem atualmente modelos que supõem a interação direta da matéria escura com a matéria conhecida, por meio da interação nuclear fraca. Modelos mais complexos que supõem a existência de uma partícula mediadora, como, por exemplo, o chamado “fóton escuro”. E até modelos nos quais a matéria escura formaria estados ligados, como átomos e moléculas.

Esses vários cenários fazem parte do escopo da School on Dark Matter and Neutrino Detection. Enquanto a primeira semana procura dar aos alunos uma formação teórica de base, a segunda traz nomes fortes na área de detecção, tanto de neutrinos como de matéria escura.

Entre os vários participantes, podem ser mencionados Stefan Soldner-Rembold e Ettore Segreto, em neutrinos; Andrew Sonnenschein, em áxions e wimps; Enectali Figueroa-Feliciano, em neutrinos estéreis; e Juan Estrada, na tecnologia de detecção por CCD (“charge-coupled device”) para neutrinos e matéria escura.

O evento conta com estudantes do Brasil, México, Colômbia, Peru, Chile, Argentina e Canadá. As aulas teóricas inaugurais da escola foram dadas por Fabio Iocco (matéria escura) e André de Gouvea (neutrinos). A programação completa pode ser acessada em: www.ictp-saifr.org/school-on-dark-matter-and-neutrino-detection/.

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