A DM candidate indicated at Fermi-LAT and LZ ? Connection with LHC and LC prospects

Por décadas, físicos têm perseguido um fantasma que compõe a maior parte da matéria do universo, mas que se recusa a se revelar. Esta substância invisível, conhecida como matéria escura, não emite luz, nem interage com os átomos comuns que constroem o nosso mundo, mas sua gravidade mantém as galáxias unidas. Para encontrá-la, os cientistas procuram de duas maneiras principais: eles esperam que partículas de matéria escura colidam com detectores localizados nas profundezas do subsolo, ou procuram pelo brilho tênue de luz de alta energia produzido quando essas partículas colidem e destroem umas às outras no espaço. A questão que impulsiona a pesquisa mais recente é simples, porém profunda: se finalmente encontrarmos um candidato para essa massa ausente, que tipo de partícula ela é e como ela se comporta?

Uma nova análise reúne duas descobertas aparentemente não relacionadas para propor uma resposta ousada. Pesquisadores do telescópio espacial Fermi-LAT detectaram um excesso inesperado de fótons energéticos, ou partículas de luz, centrados em torno de 20 GeV no halo da nossa galáxia. Ao mesmo tempo, o detector LUX-ZEPLIN, um enorme tanque de xenônio líquido enterrado profundamente no subsolo, registrou um único evento que se assemelha ao impacto de uma partícula de matéria escura contra um átomo de xenônio. Este evento é significativo porque a energia depositada é tão grande que é quase impossível confundi-la com ruído de fundo. Quando combinados, esses dois sinais apontam para uma partícula de matéria escura com uma massa de alguns centenas de GeV. No entanto, um enigma permanece: se esta partícula existe, por que não vemos o mesmo sinal em galáxias anãs, que são ricas em matéria escura, mas carecem do sinal visto em nossa própria galáxia?

Os autores deste estudo sugerem que a solução reside na velocidade das partículas e na natureza da força que elas utilizam para interagir. Em nossa galáxia, as partículas de matéria escura movem-se muito mais rápido do que nas galáxias anãs, silenciosas e lentas. Os pesquisadores propõem que essas partículas não colidem diretamente, mas sim interagem através de uma partícula pesada e de vida curta com um spin de dois, conhecida como um gráviton de Kaluza-Klein. Este tipo específico de interação depende fortemente da velocidade; como as partículas nas galáxias anãs movem-se tão lentamente, a chance de elas colidirem e produzirem luz cai dramaticamente, explicando por que essas galáxias distantes parecem silenciosas. Este mecanismo contrasta fortemente com teorias mais antigas que sugeriam que a matéria escura era um tipo de partícula chamada Higgsino, que interagiria de forma diferente e preveria uma massa muito mais pesada que não se ajusta aos dados atuais.

O apoio a esta ideia vem do Grande Colisor de Hádrons, onde cientistas têm buscado sinais de dimensões extras. Os dados dessas colisões sugerem uma "torre" dessas partículas de gráviton pesadas, com massas aparecendo em intervalos específicos, como em torno de 380 GeV, 700 GeV e 1 TeV. Uma dessas ressonâncias poderia ser a própria partícula que permite que a matéria escura se aniquile em nossa galáxia. Se esta interpretação estiver correta, ela muda as regras do jogo. Sugere que a matéria escura que estamos procurando não é o pesado Higgsino frequentemente previsto pelas teorias padrão, mas sim uma partícula mais leve, talvez em torno de 190 GeV, que se acopla a essas ressonâncias de gráviton.

As implicações para experimentos futuros são substanciais. Se essas ressonâncias de gráviton existirem e interagirem com elétrons, um futuro colisor elétron-pósitron poderia atuar como uma fábrica para produzi-las em abundância. Os pesquisadores calculam que tal máquina poderia gerar milhares dessas partículas, permitindo que os cientistas estudem suas propriedades em detalhes e confirmem se elas são, de fato, a chave para a matéria escura. Embora a evidência atual ainda esteja em construção, com os dados do Fermi-LAT mostrando um leve aumento no espectro de fótons e o LHC vendo indícios dessas ressonâncias, a convergência de sinais do espaço, do subsolo e de colisores de partículas oferece um quadro coerente. Se confirmado, isso não apenas identificaria a partícula de matéria escura, mas também forneceria a primeira evidência concreta de dimensões extras e de uma nova camada de realidade subjacente ao nosso universo.