Caso enfraquece para sinal de matéria escura antimatéria

Raios gama de alta energia de pulsares, detectados pelo Observatório de Água de Alta Altitude Cherenkov no México, são consistentes com um misterioso sinal de antimatéria.

Henry Romero / Reuters / Newscom

Caso enfraquece para sinal de matéria escura antimatéria

Por Edwin CartlidgeMar. 6, 2017, 16:00

Um longo debate sobre um excedente misterioso de antimatéria - e se é um sinal de matéria escura - pode estar chegando a um fim anticlimático. Por mais de uma década, vários experimentos descobriram um excesso inesperado no número de antielétrons de alta energia, ou pósitrons, no espaço, e alguns físicos sugeriram que isso poderia ser devido a partículas de matéria escura que se aniquilam. Outros responderam com uma explicação mais mundana: os pósitrons vêm de estrelas de nêutrons em rotação rápida, ou pulsares. Agora, uma equipe de teóricos reforçou essa explicação mais prosaica, mostrando em detalhes que os pulsares podem realmente produzir a maior parte ou todo o excesso.

O novo estudo baseia-se em dados de raios gama do Observatório de Água de Alta Altitude Cherenkov (HAWC) no México. "Antes das observações da HAWC, não sabíamos se os pulsares representavam 0, 1% do excesso ou 100%", diz o líder do estudo Dan Hooper, um teórico de partículas no Fermi National Accelerator Laboratory em Batavia, Illinois. "Agora sabemos que eles compõem uma fração muito grande e muito plausivelmente."

Os pósitrons podem ser criados quando raios cósmicos, partículas carregadas como prótons ou íons hélio, atingem outras partículas no espaço interestelar. Modelos astrofísicos convencionais mostram que quanto maior a energia dos pósitrons, mais raros eles devem ser comparados ao número de elétrons que chegam. Mas na última década, vários observatórios espaciais, incluindo o Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), de US $ 2 bilhões, um imã gigante acoplado à Estação Espacial Internacional, observaram um aumento curioso na proporção de pósitrons para elétrons entre energias de 10 giga-elétron-volts (GeV) e várias centenas de GeV.

Em princípio, esses pósitrons extras poderiam vir da matéria escura, o material desconhecido que compõe 85% da matéria do universo. Um candidato à matéria escura é a partícula massiva de fraca interação (WIMP). Ocasionalmente, dois WIMPs poderiam colidir, aniquilar e criar um par elétron-pósitron com energias significativamente maiores que 10 GeV.

No trabalho mais recente, Hooper e seus colegas consideram se os pulsares poderiam fazer o trabalho. Os pulsares têm enormes campos magnéticos rotativos que aceleram partículas carregadas em sua vizinhança para imensas energias, e quando essas energias ficam altas o suficiente, as partículas podem gerar pares de elétrons e pósitrons. Hooper diz que esse mecanismo é bem conhecido pelos astrofísicos, mas ninguém havia verificado se pulsares específicos poderiam produzir pósitrons de alta energia suficientes para explicar a anomalia observada.

Para descobrir, a equipe de Hooper analisou os raios gama emitidos pelo pulsar Geminga nas proximidades e observados pelo HAWC. Eles encontraram uma auréola ao redor do pulsar, estendendo-se por alguns anos-luz, emitindo raios gama de alta energia. Hooper diz que a "única explicação razoável" para essa fonte estendida é uma fusillada de elétrons e pósitrons de alta energia atingindo fótons quando saem do pulsar e aumentando as energias dos fótons na parte dos raios gama do espectro.

A energia dos pósitrons e elétrons que produzem esses raios gama seria muito alta - em dezenas de milhares de GeV, em vez de algumas centenas de GeV - para explicar o aumento observado pela AMS. Hooper e seus colegas também calcularam quantos pósitrons de energia mais baixa o pulsar seria esperado para gerar, com base em modelos. Eles repetiram o exercício por um segundo pulsar próximo, conhecido como B0656 + 14, e estenderam sua análise para descobrir a provável contribuição de milhares de outros pulsares na Via Láctea. Sua conclusão: os pulsares são “muito prováveis” responsáveis ​​por “muito, senão a totalidade” do excesso observado de pósitrons.

Stéphane Coutu, físico de raios cósmicos da Universidade Estadual da Pensilvânia, na State College, elogia o novo trabalho dos pesquisadores por “avaliar cuidadosamente os mecanismos astrofísicos da produção de pósitrons”, trabalho que ele descreve como “menos sexy” do que a caça à matéria escura. Ele diz que o estudo é um tanto especulativo na modelagem dos pulsares, como a rapidez com que os pósitrons de menor interesse de energia se difundem através do halo. Mas, acrescenta, "as especulações não são exageradas".

Hooper reconhece que ainda há incerteza suficiente em seus modelos para que a matéria escura possa ser responsável por aproximadamente metade do excesso. O tamanho do compartilhamento do pulsar, diz ele, deve ficar mais claro com futuros observatórios com maior sensibilidade a raios gama de energia mais baixa, como o Cherenkov Telescope Array global de 400 milhões de euros, cuja construção está prevista para começar em 2018.