Axion Matéria Escura

O áxion é uma partícula ultraleve hipotética que se tornou um dos candidatos mais atraentes para matéria escura — a substância invisível que constitui cerca de 85% da matéria do universo. O que torna o áxion especialmente atraente é que ele não foi inventado para explicar a matéria escura. Foi proposto resolver um problema completamente separado e só mais tarde revelou-se também um candidato natural à matéria escura.

O problema do PC forte

A teoria da força nuclear forte, a cromodinâmica quântica, permite um termo que tornaria os nêutrons com carga ligeiramente desequilibrada – dando-lhes um momento de dipolo elétrico. Experimentos mostram que o momento dipolar do nêutron é surpreendentemente próximo de zero, muito menor do que a teoria naturalmente espera. O motivo pelo qual a força forte respeita essa simetria com tanta precisão é o problema do PC forte. Em 1977, Roberto Peccei e Helen Quinn propuseram uma solução elegante: uma nova simetria que levasse dinamicamente o termo ofensivo a zero. O áxion é a partícula restante que esse mecanismo prevê.

Por que um solucionador de problemas produz uma boa matéria escura

O áxion que emerge é extremamente leve – talvez um trilionésimo da massa de um elétron ou menos – e interage apenas fracamente com a matéria comum. No universo primitivo, os áxions teriam sido produzidos em grande número, não se movendo rapidamente, formando um fundo frio e invisível que gravita exatamente como a matéria escura deve gravitar. Uma partícula introduzida para fixar a força forte também funciona como uma explicação importante para a massa cósmica que não podemos ver. Versões mais gerais, chamadas partículas semelhantes a áxions, aparecem em muitas teorias além do Modelo Padrão.

Como os experimentos caçam áxions

Os áxions podem se converter em fótons em um campo magnético forte. Detectores chamados haloscópios - como o experimento ADMX - usam um ímã poderoso e uma cavidade de micro-ondas bem ajustada para tentar capturar áxions de matéria escura convertendo-se em fótons fracos de radiofrequência. Como a massa do áxion é desconhecida, os experimentos devem fazer uma varredura lenta em muitas frequências possíveis, como sintonizar um rádio para uma estação cujo número ninguém conhece. Os astrônomos também procuram os fótons que os áxions produziriam estrelas de nêutrons magnetizadas próximas e em nuvens de gás distantes.

Um equívoco comum

Os áxions não são iguais aos WIMPs (partículas massivas de interação fraca) que por muito tempo dominaram as pesquisas de matéria escura. WIMPs são pesados; os áxions são extraordinariamente leves. Os dois representam apostas teóricas muito diferentes sobre o que é a matéria escura e, à medida que as pesquisas WIMP não deram resultado, os áxions atraíram cada vez mais atenção.

Como um haloscópio captura um áxion

O princípio de detecção baseia-se num facto: num campo magnético forte, um áxion pode converter-se num fotão com a mesma energia total. Como a energia de um axion de matéria escura é quase inteiramente sua massa de repouso, a frequência do fóton é fixada pela massa do axion através de E = hf = m_ac². Para a janela de massa preferida de alguns microelétron-volts, que cai na banda de microondas:

m_a ≈ 1–100 µeV → f ≈ 0,24–24 GHz

Um experimento como o ADMX coloca uma cavidade de micro-ondas sintonizável dentro de um ímã poderoso e varre lentamente sua frequência de ressonância, ouvindo um leve excesso de fótons na sintonia da cavidade. Como a massa do áxion é desconhecida, a busca é meticulosa – cada configuração sonda apenas uma pequena faixa de frequência, portanto, cobrir toda a faixa leva anos. O sinal esperado é fantasticamente fraco, em torno de 10⁻²³ watts, e é por isso que esses detectores usam amplificadores com limitação quântica resfriados até perto do zero absoluto.