Neutralino Dark Matter in SU(5) after H.E.S.S. and Direct-Detection Searches

O universo está repleto de matéria visível — estrelas, gás, planetas e as pessoas que leem isto — mas estas coisas familiares constituem apenas uma pequena fração do cosmos. O resto é matéria escura, uma substância invisível que exerce gravidade e mantém as galáxias unidas, mas que se recusa a interagir com a luz ou com a matéria comum de qualquer forma que possamos detetar facilmente. Durante décadas, os físicos propuseram que esta massa em falta poderia ser composta por partículas previstas por uma teoria chamada supersimetria. Esta teoria sugere que cada partícula conhecida tem um parceiro mais pesado e invisível. Entre estes parceiros, um tipo específico de partícula chamado neutralino tem sido, há muito, um principal candidato para a matéria escura. Se estas partículas existirem, deverão ocasionalmente colidir e aniquilar-se umas com as outras, produzindo um sinal ténue de luz de alta energia, ou raios gama, que os telescópios podem potencialmente ver. Devem também ocasionalmente colidir com os núcleos de átomos em detetores profundos no subsolo, criando um recuo minúsculo e mensurável.

Uma equipa de investigadores da Universidade Estadual da Pensilvânia testou recentemente esta ideia de forma rigorosa, utilizando uma versão específica da teoria da supersimetria conhecida como SU(5). Eles focaram-se num cenário onde os parceiros invisíveis das partículas que transmitem as forças têm massas diferentes, uma condição que permite uma grande variedade de possíveis candidatos à matéria escura. O seu objetivo era verificar se estas partículas teóricas poderiam sobreviver aos dois desafios da astronomia moderna: a procura de linhas de raios gama no centro da nossa galáxia e a procura de colisões diretas em laboratórios subterrâneos. Ao executarem simulações computacionais massivas da história do universo e do comportamento destas partículas, mapearam quais os tipos de neutralinos que ainda são possíveis e quais foram descartados pelos dados mais recentes de observatórios poderosos.

Os investigadores começaram por construir uma vasta biblioteca de universos possíveis, cada um definido por um conjunto diferente de regras sobre o quão pesadas estas partículas invisíveis são e como interagem. Em seguida, filtraram esta biblioteca através de uma série de requisitos rigorosos. Primeiro, as partículas tinham de ser suficientemente pesadas para explicar a gravidade que vemos nas galáxias, mas não tão pesadas que tivessem sido detetadas por colisores de partículas. Segundo, tinham de produzir a quantidade correta de matéria escura no universo primitivo para coincidir com o que observamos hoje. Finalmente, e mais criticamente, tinham de sobreviver ao escrutínio de dois tipos principais de experiências. Um conjunto de experiências, liderado pelo Sistema de Estereoscopia de Alta Energia, ou H.E.S.S., varre o céu em busca de raios gama. O outro envolve tanques massivos de xenão líquido enterrados profundamente no subsolo, à espera que uma partícula de matéria escura atinja um átomo.

O estudo revelou que a natureza da partícula de matéria escura é a chave para a sua sobrevivência. Se a matéria escura for composta maioritariamente por um tipo de partícula chamado wino, que é um parceiro pesado da força que governa o magnetismo, ela enfrenta um destino muito difícil. Os investigadores descobriram que um wino quase puro com uma massa de cerca de um trilião de eletrões-volts é essencialmente impossível de reconciliar com as observações atuais. Os telescópios de raios gama que observam o centro da nossa galáxia não viram o sinal específico e nítido que tal partícula produziria. Isto mantém-se verdadeiro, quer a matéria escura na nossa galáxia esteja concentrada num pico agudo ou espalhada num núcleo mais suave. O sinal é simplesmente demasiado forte para o wino se esconder.

Da mesma forma, se a matéria escura for composta maioritariamente por um Higgsino, um parceiro da partícula que confere massa às outras, este também é descartado. Estas partículas são tão boas a interagir com a matéria comum que teriam sido detetadas pelos experimentos de xenão subterrâneos há muito tempo. Os dados destes detetores mostram que, se os Higgsinos existem, são demasiado raros para constituir toda a matéria escura do universo. O mesmo se aplica a misturas de Higgsinos com outras partículas; a interação é demasiado forte e os experimentos já fecharam essa porta.

No entanto, a história não é uma derrota total para a teoria. Os investigadores descobriram um tipo específico de matéria escura que permanece um candidato viável: uma partícula composta maioritariamente por um bino, que é um parceiro da força associada à hipercarga. Ao contrário do wino e do Higgsino, o bino interage muito fracamente com a matéria comum. Nas simulações, um bino com uma massa próxima de 62 GeV ou perto de 1 TeV poderia existir sem disparar os alarmes dos detetores subterrâneos. Além disso, como interage tão fracamente, produz quase nenhum raio gama quando se aniquila, o que significa que escapa aos telescópios que procuram esses sinais. Isto faz do bino um "fantasma" no sentido mais literal, invisível tanto para as buscas no céu como para as buscas baseadas no solo.

O estudo também destacou o equilíbrio delicado necessário para que a teoria funcione. Para que os candidatos wino e Higgsino sobrevivam, precisariam de ser produzidos no universo primitivo em quantidades muito menores do que a totalidade da matéria escura que vemos hoje, exigindo algum outro processo desconhecido para aumentar os seus números mais tarde. Isto adiciona uma camada de complexidade que os investigadores não incluíram na sua análise primária. A solução mais direta, onde as partículas constituem naturalmente toda a matéria escura, aponta fortemente para o bino. No entanto, mesmo para o bino, os investigadores notaram que o veredito final depende dos detalhes precisos da massa da partícula e de como ela se mistura com outros parceiros invisíveis.

O trabalho serve como um exemplo poderoso de como a ciência estreita as possibilidades. Ao combinar a procura de luz no céu com a procura de colisões no solo, os investigadores foram capazes de eliminar classes inteiras de partículas teóricas. Eles mostraram que, embora o universo possa ainda estar a esconder um wino ou um Higgsino, este teria de estar numa configuração muito específica e não convencional que requer pressupostos adicionais para ser explicada. O candidato mais provável, baseado nos dados atuais e no pressuposto de que estas partículas constituem toda a matéria escura, é um bino que é quase invisível para os nossos instrumentos atuais. Isto não significa que a busca tenha terminado, mas significa que o caminho a seguir está mais claro. Experiências futuras terão de procurar estas partículas específicas e elusivas com uma sensibilidade ainda maior, ou talvez procurar os sinais subtis das versões mais complexas e mistas de matéria escura que os investigadores identificaram como a próxima fronteira para a descoberta.