{"id":105,"date":"2025-07-25T06:28:43","date_gmt":"2025-07-25T06:28:43","guid":{"rendered":"https:\/\/www.europesays.com\/pt\/105\/"},"modified":"2025-07-25T06:28:43","modified_gmt":"2025-07-25T06:28:43","slug":"estudo-propoe-nova-abordagem-para-a-investigacao-da-materia-escura","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.europesays.com\/pt\/105\/","title":{"rendered":"Estudo prop\u00f5e nova abordagem para a investiga\u00e7\u00e3o da mat\u00e9ria escura"},"content":{"rendered":"

Jos\u00e9 Tadeu Arantes | Ag\u00eancia FAPESP<\/strong> \u2013 Sabe-se hoje que toda a mat\u00e9ria conhecida \u2013 estudada pelas ci\u00eancias e operacionalizada pelas tecnologias \u2013 constitui 5% do conte\u00fado do Universo. O restante \u00e9 composto por uma componente desconhecida, a mat\u00e9ria escura (cerca de 27%) e por energia escura (cerca de 68%). A conta, confirmada pela primeira vez d\u00e9cadas atr\u00e1s, continua surpreendendo leigos \u2013 e cientistas.<\/p>\n

No caso da mat\u00e9ria escura (ME), as evid\u00eancias de que realmente exista s\u00e3o abundantes \u2013 todas decorrentes da intera\u00e7\u00e3o gravitacional com a mat\u00e9ria comum. Desde curvas de rota\u00e7\u00e3o de estrelas em gal\u00e1xias, discrep\u00e2ncias no movimento de gal\u00e1xias em aglomerados, forma\u00e7\u00e3o de estruturas do Universo em larga escala, at\u00e9 a radia\u00e7\u00e3o c\u00f3smica de fundo, que se distribui uniformemente por todo o espa\u00e7o. Mas, apesar de se saber com alto grau de certeza que ela existe, n\u00e3o se sabe o que ela \u00e9. E v\u00e1rios modelos propostos at\u00e9 o momento fracassaram.<\/p>\n

Novo estudo de pesquisadores da Universidade de S\u00e3o Paulo (USP) prop\u00f5e um modelo de mat\u00e9ria escura inel\u00e1stica que interagiria com a mat\u00e9ria comum por meio de um mediador vetorial, semelhante ao f\u00f3ton, por\u00e9m dotado de massa. O objetivo \u00e9 abrir uma nova janela de observa\u00e7\u00e3o. Artigo a respeito foi publicado<\/a>\u00a0<\/strong>no Journal of High Energy Physics\u00a0(e tamb\u00e9m na Plataforma ArXiv<\/strong><\/a>).<\/p>\n

\u201cNesse trabalho, consideramos um modelo de ME composto por um setor escuro com part\u00edculas leves que interagem fracamente com as part\u00edculas conhecidas do Modelo Padr\u00e3o [MP]\u201d, diz Ana Luisa Foguel<\/strong><\/a>, doutoranda do Instituto de F\u00edsica (IF-USP) e primeira autora do artigo.<\/p>\n

Contexto<\/strong><\/p>\n

Inicialmente, a busca por mat\u00e9ria escura esteve focada em candidatos pesados, com massas muitas vezes maiores do que a do el\u00e9tron ou at\u00e9 mesmo das part\u00edculas mais pesadas do MP. A ideia era que, por serem muito massivas, essas part\u00edculas n\u00e3o podiam ser produzidas pelos colisores de part\u00edculas que ainda n\u00e3o tinham energia suficiente. Por\u00e9m, mesmo com os experimentos realizados no Grande Colisor de H\u00e1drons (LHC<\/strong><\/a>, na sigla em ingl\u00eas) da Organiza\u00e7\u00e3o Europeia para a Investiga\u00e7\u00e3o Nuclear (Cern<\/strong><\/a>, na sigla oficial em franc\u00eas), novas part\u00edculas al\u00e9m daquelas do MP n\u00e3o foram observadas.<\/p>\n

Com isso, uma parte da comunidade cient\u00edfica mudou de foco e passou a procurar part\u00edculas leves, por\u00e9m com intera\u00e7\u00f5es muit\u00edssimo fracas. A ideia era que ainda n\u00e3o havia sido poss\u00edvel observar tais part\u00edculas pelo fato de interagirem tenuamente com a mat\u00e9ria comum. Para investigar sinais delas, os experimentos precisavam caminhar em dire\u00e7\u00e3o \u00e0 chamada \u201cfronteira de intensidade\u201d, ou seja, teriam de medir acoplamentos e intera\u00e7\u00f5es com precis\u00e3o cada vez maior para buscar eventuais discrep\u00e2ncias que sinalizassem a exist\u00eancia de algo novo.<\/p>\n

Freeze-out t\u00e9rmico<\/strong><\/p>\n

O estudo vai nessa dire\u00e7\u00e3o. \u201cAo pensar em um novo modelo de mat\u00e9ria escura, a primeira coisa \u00e9 saber como foi poss\u00edvel a produ\u00e7\u00e3o da quantidade certa de tal componente. Essa quantidade \u00e9 hoje medida de forma muito precisa, com dados, por exemplo, da radia\u00e7\u00e3o c\u00f3smica de fundo. E s\u00e3o conhecidos v\u00e1rios mecanismos que poderiam ter levado \u00e0 gera\u00e7\u00e3o de ME no Universo primordial. Um dos mais motivados teoricamente \u00e9 o chamado \u2018freeze-out t\u00e9rmico\u2019\u201d, afirma Foguel.<\/p>\n

No contexto da f\u00edsica de part\u00edculas ou da cosmologia, o \u201cfreeze-out t\u00e9rmico\u201d \u00e9 o momento em que determinadas part\u00edculas desacoplam do banho t\u00e9rmico \u2013 ou seja, em que as intera\u00e7\u00f5es que aniquilam tais part\u00edculas, transformando-as em outras do MP, deixam de ser suficientes. A partir da\u00ed, como n\u00e3o ocorrem mais processos que possam mudar o n\u00famero dessas part\u00edculas, sua abund\u00e2ncia \u201ccongela\u201d, permanecendo praticamente inalterada.<\/p>\n

\u201cEsse mecanismo \u00e9 interessante e bem conhecido, pois temos v\u00e1rios exemplos de part\u00edculas do Modelo Padr\u00e3o cuja abund\u00e2ncia foi gerada dessa forma. Sendo assim, a possibilidade de considerar que os componentes da mat\u00e9ria escura tenham sido gerados por um mecanismo similar \u00e9 natural\u201d, comenta a pesquisadora.<\/p>\n

Nesse mecanismo, as part\u00edculas candidatas a mat\u00e9ria escura est\u00e3o incialmente, isto \u00e9, logo ap\u00f3s o in\u00edcio do Universo, em um \u201cbanho t\u00e9rmico\u201d com as part\u00edculas da mat\u00e9ria comum. Ou seja, todas as part\u00edculas est\u00e3o interagindo muito r\u00e1pido de forma a compartilhar a mesma temperatura. Com a expans\u00e3o e o consequente resfriamento do Universo, as part\u00edculas perdem esse contato t\u00e9rmico. \u00c9 o que se chama \u201cfreeze-out\u201d.<\/p>\n

\u201cO exato momento do desacoplamento depende da probabilidade de que ocorram intera\u00e7\u00f5es entre as part\u00edculas da ME e as part\u00edculas do MP. Essa probabilidade \u00e9 parametrizada por uma vari\u00e1vel que chamamos de se\u00e7\u00e3o de choque sigma. Se sigma \u00e9 muito pequena, as part\u00edculas de mat\u00e9ria escura desacoplam muito cedo e sua abund\u00e2ncia \u00e9 muito grande. Ao contr\u00e1rio, se \u00e9 muito grande, a ME permanece mais tempo em contato t\u00e9rmico, aniquilando-se em part\u00edculas do MP, de forma que, ao desacoplar mais tarde, n\u00e3o possui abund\u00e2ncia suficiente\u201d, pontua Foguel.<\/p>\n

No caso de mat\u00e9ria escura leve, a intera\u00e7\u00e3o com a mat\u00e9ria comum \u00e9 feita atrav\u00e9s de um portal. Ou seja, a part\u00edcula de mat\u00e9ria escura n\u00e3o se acopla diretamente com todas as part\u00edculas do Modelo Padr\u00e3o, mas com uma part\u00edcula que faz o papel de mediadora da intera\u00e7\u00e3o da ME com o MP. A se\u00e7\u00e3o de choque sigma de tal intera\u00e7\u00e3o \u00e9 proporcional \u00e0 massa da ME e inversamente proporcional \u00e0 massa da part\u00edcula do portal. Dessa forma, para haver uma candidata leve, no patamar de energia inferior ao gigael\u00e9tron-volt, o portal n\u00e3o pode ser muito pesado. Assim, os b\u00f3sons do Modelo Padr\u00e3o que intermedeiam as intera\u00e7\u00f5es fracas (W+, W- e Z0) n\u00e3o funcionariam como portal. \u00c9 necess\u00e1ria a introdu\u00e7\u00e3o de uma nova part\u00edcula escura para realizar a media\u00e7\u00e3o entre a ME e o MP.<\/p>\n

\u201cEm nosso modelo, essa part\u00edcula que intermedeia a rela\u00e7\u00e3o entre os dois setores \u00e9 um b\u00f3son vetorial (ZQ). Comporta-se como um f\u00f3ton, a part\u00edcula que intermedeia as intera\u00e7\u00f5es eletromagn\u00e9ticas, por\u00e9m possui massa. Al\u00e9m disso, o diferencial desse modelo \u00e9 que esse mediador tamb\u00e9m interage diretamente com outras part\u00edculas do MP\u201d, conta a pesquisadora.<\/p>\n

Esse mediador conectaria as part\u00edculas do Modelo Padr\u00e3o \u00e0s part\u00edculas da mat\u00e9ria escura. No modelo proposto, haveria dois tipos delas: uma part\u00edcula est\u00e1vel (\u03c7\u2081), que comporia a mat\u00e9ria escura propriamente dita, e uma part\u00edcula inst\u00e1vel ligeiramente mais pesada (\u03c7\u2082). A intera\u00e7\u00e3o delas com o mediador ZQ sempre se daria em conjunto. Isto \u00e9, o mediador interagiria com ambas ao mesmo tempo. E isso configuraria um tipo espec\u00edfico de mat\u00e9ria escura, chamada \u201cmat\u00e9ria escura inel\u00e1stica\u201d. Al\u00e9m disso, \u03c7\u2082 poderia decair em \u03c7\u2081 e em part\u00edculas do Modelo Padr\u00e3o. O trabalho mostra que, com todos esses arranjos, \u00e9 poss\u00edvel explicar a abund\u00e2ncia de mat\u00e9ria escura existente no Universo e, ao mesmo tempo, contornar os limites experimentais que impedem sua detec\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

\u201cVale ressaltar que modelos como o nosso, com mat\u00e9ria escura inel\u00e1stica, s\u00e3o interessantes porque, al\u00e9m de explicarem a gera\u00e7\u00e3o eficiente de ME por meio do mecanismo de freeze-out, tamb\u00e9m possibilitam contornar os limites atuais de detec\u00e7\u00e3o direta e indireta, assim como os limites da cosmologia. A raz\u00e3o vem do fato que, como \u03c7\u2082 n\u00e3o \u00e9 est\u00e1vel e as intera\u00e7\u00f5es dependem de \u03c7\u2082, n\u00e3o h\u00e1 popula\u00e7\u00e3o suficiente de \u03c7\u2082 durante a \u00e9poca da recombina\u00e7\u00e3o para injetar energia no plasma \u2013 o que poderia ter modificado a radia\u00e7\u00e3o c\u00f3smica de fundo. E tamb\u00e9m n\u00e3o h\u00e1 \u03c7\u2082 no Universo atual para decair ou aniquilar-se com \u03c7\u2081, produzindo sinais que possibilitem detec\u00e7\u00e3o indireta. Al\u00e9m disso, para \u03c7\u2081 poder interagir nos experimentos de detec\u00e7\u00e3o direta, ele teria que se transformar em \u03c7\u2082, o que \u00e9 muito dif\u00edcil, pois \u03c7\u2082 \u00e9 mais massivo\u201d, detalha Foguel.<\/p>\n

Superando o modelo \u201cvanilla\u201d<\/strong><\/p>\n

Segundo a pesquisadora, o novo modelo proposto seria uma alternativa ao modelo \u201cvanilla\u201d de ME inel\u00e1stica, que considera um mediador que n\u00e3o se acopla diretamente com as part\u00edculas de mat\u00e9ria escura. Na f\u00edsica de part\u00edculas, o termo \u201cvanilla\u201d (baunilha) \u00e9 usado para designar a vers\u00e3o mais b\u00e1sica e minimalista de um modelo, com o menor n\u00famero de ingredientes te\u00f3ricos poss\u00edvel.<\/p>\n

\u201cO modelo \u2018vanilla\u2019 j\u00e1 est\u00e1 praticamente exclu\u00eddo, porque a quase totalidade dos par\u00e2metros que reproduzem a abund\u00e2ncia correta de ME foi descartada por buscas experimentais. Dessa forma, o objetivo principal de nosso trabalho foi mostrar que, considerando uma simples modifica\u00e7\u00e3o desse modelo, permitindo mediadores com acoplamentos diretos em vez de indiretos, podemos eventualmente \u2018salvar\u2019 a ME inel\u00e1stica\u201d, explica Foguel.<\/p>\n

\u201cConsiderando os modelos propostos, calculamos primeiro a abund\u00e2ncia de ME pelo processo de freeze-out e disponibilizamos on-line um c\u00f3digo que permite reproduzir tais c\u00e1lculos, mostrando as regi\u00f5es do espa\u00e7o de par\u00e2metros que produzem a ME inel\u00e1stica, para diferentes escolhas de carga Q, com abund\u00e2ncia correta. Depois disso, focamos nos limites de experimentos distintos. E conclu\u00edmos que, para certos modelos, novas regi\u00f5es do espa\u00e7o de par\u00e2metros est\u00e3o \u2018desbloqueadas\u2019, ou seja, existem par\u00e2metros que reproduzem a abund\u00e2ncia correta de ME e ainda n\u00e3o foram exclu\u00eddos. Algumas dessas regi\u00f5es de par\u00e2metros poder\u00e3o ser investigadas em experimentos futuros.\u201d<\/p>\n

Renata Zukanovich Funchal<\/strong><\/a>, professora titular do IF-USP, orientadora de Foguel, coordenadora do estudo e coautora do artigo, resume: \u201cO uso de mediadores vetoriais mais gerais abre uma nova janela para modelos vi\u00e1veis de mat\u00e9ria escura inel\u00e1stica, com consequ\u00eancias diretas sobre as taxas de decaimento, as assinaturas experimentais e os limites cosmol\u00f3gicos\u201d.<\/p>\n

Foguel foi apoiada pela FAPESP por meio de bolsa de doutorado<\/strong><\/a> e bolsa de est\u00e1gio de pesquisa no exterior<\/strong><\/a>. Peter Reimitz<\/strong><\/a>, coautor do artigo, foi apoiado com bolsa de p\u00f3s-doutorado<\/strong><\/a>. E Funchal foi contemplada com aux\u00edlio regular \u00e0 pesquisa na modalidade SPRINT<\/strong><\/a>\u00a0e com a participa\u00e7\u00e3o no Projeto Tem\u00e1tico \u201cFenomenologia de part\u00edculas<\/strong><\/a>\u201d.<\/p>\n

O artigo Unlocking the inelastic Dark Matter window with vector mediators pode ser acessado em: https:\/\/link.springer.com\/article\/10.1007\/JHEP05(2025)001<\/a>. <\/strong>E tamb\u00e9m em: https:\/\/arxiv.org\/abs\/2410.00881<\/strong><\/a>.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Jos\u00e9 Tadeu Arantes | Ag\u00eancia FAPESP \u2013 Sabe-se hoje que toda a mat\u00e9ria conhecida \u2013 estudada pelas ci\u00eancias…\n","protected":false},"author":2,"featured_media":106,"comment_status":"","ping_status":"","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":"","_share_on_mastodon":"0"},"categories":[86],"tags":[122,130,126,121,125,128,132,131,116,129,124,123,127,32,33,117],"class_list":["post-105","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","category-saude","tag-astrofisica","tag-cern","tag-energia-escura","tag-fisica","tag-foton","tag-freeze-out-termico","tag-fronteira-de-intensidade","tag-grande-colisor-de-hadrons","tag-health","tag-lhc","tag-materia-escura","tag-modelo-padrao","tag-modelo-vanilla","tag-portugal","tag-pt","tag-saude"],"share_on_mastodon":{"url":"","error":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.europesays.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/105","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.europesays.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.europesays.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.europesays.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/users\/2"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.europesays.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=105"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.europesays.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/105\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.europesays.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/media\/106"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.europesays.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=105"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.europesays.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=105"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.europesays.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=105"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}