O fator X17: uma nova partícula da física pode resolver o mistério da matéria escura

Anomalias em experimentos de física nuclear podem mostrar sinais de uma nova força. Crédito: Shutterstock

Uma equipe de cientistas na Hungria publicou recentemente um artigo que sugere a existência de uma partícula subatômica anteriormente desconhecida. A equipe primeiro relatou encontrar traços da partícula em 2016 e agora relataram mais traços em um experimento diferente.

Se os resultados forem confirmados, a chamada partícula X17 poderia ajudar a explicar a matéria escura, a substância misteriosa que os cientistas acreditam ser responsável por mais de 80% da massa do universo. Pode ser a portadora de uma "quinta força" além das quatro representadas no modelo padrão da física (gravidade, eletromagnetismo, força nuclear fraca e força nuclear forte).

Átomos esmagadores

A maioria dos pesquisadores que procura novas partículas usa aceleradores enormes que esmagam partículas subatômicas em alta velocidade e analisam o que sai da explosão. O maior desses aceleradores é o Large Hadron Collider na Europa, onde o bóson de Higgs - uma partícula que os cientistas estão caçando há décadas - foi descoberto em 2012.

Attila J. Krasznahorkay e seus colegas do ATOMKI (Instituto de Pesquisa Nuclear em Debrecen, Hungria) adotaram uma abordagem diferente, conduzindo experimentos menores que disparam as partículas subatômicas chamadas prótons no núcleo de átomos diferentes.

Em 2016, eles analisaram pares de elétrons e pósitrons (a versão antimatéria dos elétrons) produzidos quando os núcleos de berílio-8 passaram de um estado de alta energia para um estado de baixa energia.

Eles descobriram um desvio do que esperavam ver quando havia um grande ângulo entre os elétrons e os pósitrons. Essa anomalia poderia ser melhor explicada se o núcleo emitisse uma partícula desconhecida que mais tarde "se dividisse" em um elétron e um pósitron.

Essa partícula teria que ser um bóson, que é o tipo de partícula que carrega força, e sua massa seria de cerca de 17 milhões de elétron-volts. É tão pesado quanto 34 elétrons, o que é bastante leve para uma partícula como essa. (O bóson de Higgs, por exemplo, é mais de 10.000 vezes mais pesado.)

Por causa de sua massa, Krasznahorkay e sua equipe chamaram a partícula hipotética X17. Agora eles observaram algum comportamento estranho nos núcleos de hélio-4, o que também pode ser explicado pela presença de X17.

Essa última anomalia é estatisticamente significativa - um nível de confiança de sete sigma, o que significa que há apenas uma possibilidade muito pequena de que o resultado tenha ocorrido por acaso. Isso está muito além do padrão usual de cinco sigma para uma nova descoberta, então o resultado parece sugerir que há alguma física nova aqui.

Verificação e verificação dupla

No entanto, o novo anúncio e o de 2016 foram recebidos com ceticismo pela comunidade de física - o tipo de ceticismo que não existia quando as duas equipes anunciaram simultaneamente a descoberta do bóson de Higgs em 2012.

Então, por que é tão difícil para os físicos acreditarem que um novo bóson leve como este poderia existir?

A nova pesquisa é liderada por Attila Krasznahorkay (à direita). Crédito: Attila Krasznahorkay

Primeiro, experimentos desse tipo são difíceis e a análise dos dados também. Sinais podem aparecer e desaparecer. Em 2004, por exemplo, o grupo em Debrecen encontrou evidências que eles interpretavam como a possível existência de um bóson ainda mais leve, mas quando eles repetiram o experimento, o sinal desapareceu.

Segundo, é preciso garantir que a própria existência do X17 seja compatível com os resultados de outros experimentos. Nesse caso, o resultado de 2016 com berílio e o novo resultado com hélio podem ser explicados pela existência de X17, mas ainda é necessário um teste independente de um grupo independente.

Krasznahorkay e seu grupo relataram pela primeira vez evidências fracas (em um nível de três sigma) para um novo bóson em 2012 em um workshop na Itália.

Desde então, a equipe repetiu o experimento usando equipamentos atualizados e reproduziu com sucesso os resultados do berílio-8, o que é tranquilizador, assim como os novos resultados do hélio-4. Esses novos resultados foram apresentados no simpósio HIAS 2019 na Australian National University, em Canberra.

O que isso tem a ver com a matéria escura?

Os cientistas acreditam que a maior parte do material do universo é invisível para nós. A chamada de matéria escura é interativa com uma matéria de maneira muito fraca. Podemos inferir que existe um efeito gravitacional em estrelas e galáxias distantes, mas nunca foi detectado em laboratório.

Então, onde o X17 entra?

Em 2003, um dos pesquisadores mostrou que uma partícula como X17 poderia existir, em um trabalho de co-autoria com Pierre Fayet e outro escrito individualmente. Ele carrega força entre as partículas de matéria escura da mesma maneira que os fótons, ou as lâmpadas de luz, tornam-se uma matéria comum.

Em um dos cenários que propõem, como as telas de matérias escuras às vezes produzem pares de elétrons e pósitrons de maneira semelhante ao que uma equipe de Krasznahorkay viu.

Esse cenário levou a muitas pesquisas em experimentos de baixa energia, que descartaram muitas possibilidades. No entanto, o X17 ainda não foi descartado - nesse caso, o grupo Debrecen pode de fato descobrir como as partículas de matéria escura se comunicam com o nosso mundo.

São necessárias mais evidências

Embora os resultados de Debrecen sejam muito interessantes, a comunidade de física não ficará convencida de que uma nova partícula foi realmente encontrada até que haja uma confirmação independente.

Portanto, podemos esperar muitas experiências em todo o mundo que procuram um novo bóson leve para começar a procurar evidências de X17 e sua interação com pares de elétrons e pósitrons.

Se chegar a confirmação, a próxima descoberta poderá ser as próprias partículas de matéria escura.

Via: Phys