Particle Dark Matter in the 1980s and 1990s

Durante a maior parte da história humana, acreditávamos que o universo era feito das coisas que podíamos ver: estrelas, nuvens de gás e os vastos espaços vazios entre elas. Pensávamos que a gravidade que mantinha as galáxias unidas vinha inteiramente desta matéria visível. Mas, à medida que os astrónomos começaram a medir a velocidade com que as estrelas se moviam dentro das galáxias, surgiu uma estranha discrepância. As estrelas nas bordas das galáxias moviam-se tão depressa como aquelas perto do centro, desafiando as leis da gravidade se apenas a matéria visível estivesse presente. Algo invisível tinha de estar a fornecer gravidade extra para manter estas estrelas rápidas sem que voassem para o espaço. Esta substância invisível, que não emite nem reflete luz, tornou-se conhecida como matéria escura. No final do século XX, os cientistas perceberam que esta substância invisível compõe a vasta maioria da matéria no cosmos, enquanto as estrelas e os planetos que conhecemos representam menos de um por cento. A grande questão passou a ser: do que é feito este material invisível?

Uma análise escrita pelo físico Michael Turner traça a dramática jornada de vinte anos, de 1980 a 2000, que transformou a nossa compreensão do cosmos e ligou o estudo do muito grande ao estudo do muito pequeno. Em 1980, a ideia de que o universo era dominado por partículas invisíveis era um conceito marginal. Naquela época, a cosmologia era um campo com menos de cem investigadores ativos, e o modelo padrão do universo era simplesmente a teoria do Big Bang quente. A física de partículas, por sua vez, estava focada no espaço interior de quarks e eletrões, com pouca atenção dedicada ao cosmos. No entanto, ao longo das duas décadas seguintes, estes dois campos tornaram-se inextricavelmente ligados. A descoberta central foi que a matéria escura que mantém o universo unido é provavelmente feita de novas partículas elementares estáveis que nunca tinham sido vistas antes. Esta percepção mudou o foco de um universo feito de átomos para um construído sobre uma base de partículas invisíveis, levando a um novo modelo padrão de cosmologia que inclui a matéria escura, a energia escura e um período de expansão rápida chamado inflação.

A história começa com a percepção de que a matéria visível no universo é insuficiente para explicar a gravidade que observamos. Na década de 1930, astrónomos como Fritz Zwicky notaram que as galáxias em aglomerados se moviam demasiado depressa para serem mantidas unidas apenas pela gravidade das suas estrelas visíveis. Ele cunhou o termo "matéria escura" para descrever esta massa em falta. Décadas mais tarde, nos anos 1970 e 1980, os astrónomos Vera Rubin e Kent Ford confirmaram isto numa escala galáctica. Ao medirem as velocidades de rotação de centenas de galáxias espirais, descobriram que as estrelas exteriores moviam-se tão depressa como as interiores, implicando que as galáxias estão rodeadas por halos massivos e invisíveis de matéria escura. Por volta de 1985, a comunidade astronómica aceitou oficialmente que a matéria escura era um fenómeno real, mas a sua natureza permanecia um mistério.

O avanço ocorreu quando os físicos começaram a aplicar as ferramentas da física de partículas a este enigma cósmico. Em 1980, surgiu uma nova ideia sugerindo que o universo era dominado por neutrinos, um tipo de partícula leve que já era conhecida por existir. Os teóricos propuseram que estas partículas, movendo-se a uma velocidade próxima da luz, poderiam formar os halos de matéria escura. Este "universo dominado por neutrinos" sugeria que grandes estruturas como superaglomerados se formavam primeiro e depois se fragmentavam em galáxias menores, um processo conhecido como formação de cima para baixo (top-down). No entanto, esta ideia foi de curta duração. Simulações computacionais e observações da distribuição real das galáxias mostraram que o universo se formou de baixo para cima (bottom-up), com pequenos aglomerados a fundirem-se para formar estruturas maiores. Os neutrinos de movimento rápido teriam suavizado estes pequenos aglomerados, impedindo a formação das galáxias que vemos hoje. Isto excluiu os neutrinos como o componente primário da matéria escura.

Com a ideia dos neutrinos descartada, o foco mudou para partículas mais lentas e pesadas. Em 1982, um grande workshop na Universidade de Cambridge ajudou a consolidar uma nova imagem. Os teóricos tinham proposto recentemente que o universo passou por um período de expansão rápida chamado inflação, que criou um universo plano com uma densidade total específica. Como a matéria visível e os átomos normais só podiam constituir uma pequena fração desta densidade necessária, o resto tinha de ser algo diferente. Isto levou ao surgimento da "matéria escura fria", uma teoria que sugere que a massa invisível é feita de partículas de movimento lento que permitem que pequenas estruturas se formem primeiro. Dois principais candidatos emergiram do mundo da física de partículas: o axion e o neutralino. O axion foi proposto para resolver um problema específico na teoria das forças nucleares fortes, enquanto o neutralino era uma partícula prevista por uma teoria chamada supersimetria, que sugere que cada partícula conhecida tem um parceiro mais pesado. Ambos estes candidatos seriam pesados, de movimento lento e estáveis, tornando-os candidatos perfeitos para a matéria escura fria necessária para construir o universo.

Em meados da década de 1980, a comunidade científica começou a levar estes candidatos de partículas a sério. Os teóricos perceberam que, se estas partículas existissem, deveriam ser detetáveis. Propuseram três formas principais de as encontrar: procurando as próprias partículas à medida que passam por detetores na Terra, procurando a radiação produzida quando estas partículas colidem e se aniquilam no espaço, ou criando-as em aceleradores de partículas. Esta era viu o nascimento de um novo campo dedicado à caça à matéria escura, com experiências desenhadas para detetar os sinais ténues que estas partículas invisíveis poderiam deixar para trás. O termo "WIMP", que significa Partícula Massiva de Interação Fraca (Weakly Interacting Massive Particle), foi introduzido para descrever partículas como o neutralino, que interagem com a matéria normal apenas através da gravidade e da força nuclear fraca. A coincidência de que estas partículas existiriam naturalmente na quantidade certa para explicar a matéria escura era tão convincente que se tornou um pilar central do novo modelo cosmológico.

A peça final do puzzle encaixou-se no final da década de 1990. Embora a evidência para a matéria escura fosse forte, a densidade total do universo ainda era um mistério. Medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o eco do Big Bang, e a distribuição das galáxias sugeriam que o universo era plano, o que significa que a sua densidade total correspondia a um valor crítico. No entanto, a matéria que conseguíamos contabilizar, incluindo tanto os átomos normais como a proposta matéria escura, somava apenas cerca de trinta por cento deste valor crítico. Durante muito tempo, isto foi um grande problema. Então, em 1998, astrónomos a estudar estrelas distantes em explosão descobriram que a expansão do universo não está a abrandar como esperado, mas está, na verdade, a acelerar. Esta aceleração implicava a existência de uma misteriosa força repulsiva, agora chamada energia escura, que compõe os restantes setenta por cento do universo.

Por volta do ano 2000, um quadro completo havia emergido. O universo é composto por cerca de cinco por cento de matéria normal, vinte e cinco por cento de matéria escura fria e setenta por cento de energia escura. Este modelo, conhecido como Lambda-CDM, tornou-se o novo padrão. Explicou com sucesso a formação das galáxias, a radiação cósmica de fundo e a expansão acelerada do universo. A jornada de 1980 a 2000 transformou a cosmologia de um campo onde as medições eram frequentemente incertas por fatores de dois numa ciência de precisão onde as propriedades do universo são conhecidas com uma margem de erro de poucos percentagem. O trabalho desta era estabeleceu que o universo não é apenas uma coleção de estrelas, mas uma estrutura complexa mantida e impulsionada por forças e partículas invisíveis que estamos apenas a começar a compreender. Hoje, a busca continua para identificar a natureza específica destas partículas escuras, mas o quadro que elas ajudaram a construir permanece como a base da nossa compreensão moderna do cosmos.