Partículas fantasmas a interagir com matéria escura podem resolver um grande mistério cósmico.

Uma equipa a trabalhar com dados do Universidade primitivo, liderada pelo Centro Nacional de Investigação Nuclear da Polónia, encontrou indícios de que dois dos ingredientes mais esquivos do cosmos podem não ser totalmente indiferentes um ao outro.

Ao cruzarem vários tipos de medições, os cosmólogos concluíram que as observações ficam mais coerentes se os neutrinos - muitas vezes apelidados de “partículas fantasma” - tiverem uma interação fraca com a matéria escura.

O sinal surge com uma significância de três sigma: não chega para ser uma confirmação definitiva, mas também é demasiado forte para ser descartado como simples flutuação estatística ou ruído instrumental.

Se esta pista se mantiver, poderá abrir caminho a uma pequena extensão do Modelo Cosmológico Padrão, ao suavizar a suposição de que a matéria escura é completamente sem colisões e ao admitir um espalhamento ténue entre neutrinos e matéria escura.

Neutrinos e matéria escura: componentes abundantes, mas difíceis de apanhar

Tanto os neutrinos como a matéria escura integram o Universo de forma marcante, apesar de quase não interagirem com o que conhecemos.

Os neutrinos estão entre as partículas mais numerosas existentes. São produzidos em grandes quantidades em ambientes altamente energéticos, como explosões de supernovas e as reações de fusão nuclear no interior das estrelas - por isso, estão praticamente em todo o lado.

Ainda assim, por não terem carga elétrica, por possuírem uma massa extremamente pequena e por interagirem muito raramente com outras partículas, atravessam a matéria como se esta quase não existisse. Neste exato momento, centenas de milhares de milhões de neutrinos estão a atravessar o seu corpo. Só ocasionalmente um neutrino colide com outra partícula, gerando uma cascata de partículas de decaimento e fotões - eventos que exigem detetores especiais, muitas vezes instalados no subsolo, para serem registados.

A matéria escura, por seu lado, não parece interagir com a matéria comum para além do efeito gravítico. As principais evidências da sua presença vêm de fenómenos gravitacionais - como as velocidades de rotação das galáxias e a deformação do espaço-tempo - que não são explicáveis apenas com a matéria “normal”. Esses sinais apontam para que cerca de 85% da matéria do Universo seja composta por matéria “escura” que não conseguimos observar diretamente.

Matéria escura e neutrinos: interação fraca além do Modelo Cosmológico Padrão

A hipótese de que estas duas entidades, tão evasivas, possam interagir entre si não é recente: existem trabalhos desde o início dos anos 2000 a sugerir que poderá haver uma ligação ainda não detetada.

Nos últimos anos, vários artigos científicos apresentaram indícios preliminares de interações entre neutrinos e matéria escura. O novo estudo, liderado pelo físico Lei Zu - que realizou o trabalho no Centro Nacional de Investigação Nuclear da Polónia e atualmente está no Observatório Astronómico Nacional do Japão - procurou ir além da teoria, tentando usar dados reais para atacar um dos problemas mais persistentes da cosmologia.

Essa dificuldade surge quando se comparam “fotografias” do Universo primitivo, captadas pela radiação cósmica de fundo (CMB) e pelas oscilações acústicas de bárions (BAO), com aquilo que observamos num Universo mais recente.

A CMB é o eco da primeira luz que começou a viajar livremente pelo cosmos cerca de 380 000 anos após o Big Bang. Já as BAO correspondem a estruturas em grande escala associadas a uma onda acústica que se propagou no Universo primordial e ficou “congelada” quando o meio se tornou demasiado difuso para a sustentar.

Ao projetar as medições de CMB e BAO para a idade atual do Universo - aproximadamente 13,8 mil milhões de anos - com base no Modelo Cosmológico Padrão, obtém-se um cenário em que o Universo deveria estar mais “grumoso” (mais aglomerado) do que aquele que efetivamente observamos.

A cosmóloga Eleonora Di Valentino, da Universidade de Sheffield (Reino Unido), resume a interpretação: esta tensão não implica necessariamente que o modelo padrão esteja errado, mas pode indicar que lhe falta alguma peça. Segundo a equipa, permitir interações entre matéria escura e neutrinos pode ajudar a reduzir essa discrepância e trazer novas pistas sobre a formação de estruturas no Universo.

O que os dados indicam (CMB, BAO e o levantamento de energia escura)

Para testar a ideia de forma robusta, os investigadores reuniram um dos conjuntos combinados de dados mais abrangentes até agora para sondar interações neutrino–matéria escura, abrangendo tanto o Universo primordial como o tardio. O pacote incluiu:

• duas medições independentes da radiação cósmica de fundo (CMB);
• três conjuntos de dados de oscilações acústicas de bárions (BAO);
• informação do Levantamento de Energia Escura, que está a mapear a distribuição de matéria escura e energia escura no céu.

Em seguida, executaram simulações cosmológicas ajustadas a cada conjunto de CMB e BAO separadamente e, depois, às combinações entre eles. A diferença crucial foi acrescentar um ingrediente adicional aos modelos: interações de espalhamento entre neutrinos e matéria escura.

Quando analisados isoladamente, os dados mostraram apenas uma preferência ligeira por esse espalhamento - e as simulações passavam a reproduzir um Universo um pouco mais semelhante ao que vemos hoje do que versões sem espalhamento. Contudo, ao juntar os conjuntos de dados, a preferência tornou-se bem mais marcada, atingindo três sigma.

Isto está longe de fechar o assunto, mas é consistente com resultados anteriores e suficientemente forte para justificar mais testes e análises.

Implicações e próximos passos para confirmar o espalhamento

Para o físico teórico e cosmólogo William Giarè, da Universidade do Havai (antes na Universidade de Sheffield), a confirmação desta interação seria um avanço fundamental: além de aliviar o desfasamento entre diferentes “sondas” cosmológicas, daria à física de partículas uma direção mais concreta, sugerindo que propriedades procurar em experiências laboratoriais para, finalmente, revelar a verdadeira natureza da matéria escura.

Ao mesmo tempo, a palavra “se” continua a ser decisiva. A significância de três sigma é estimulante, mas não equivale a uma descoberta - e será necessário verificar se o efeito resiste a novas combinações de dados, a diferentes escolhas de parâmetros e a potenciais vieses instrumentais.

Um passo importante, também, será refinar os modelos para além das aproximações mais comuns usadas na cosmologia de partículas. Como aponta o físico teórico Sebastian Trojanowski, do Centro Nacional de Investigação Nuclear da Polónia, explicar e testar rigorosamente um efeito tão claro obriga a aprofundar o tratamento teórico - algo que ficará para investigações futuras.

Além dos dados cosmológicos, há um ângulo complementar: procurar consequências indiretas desta interação em observações de estruturas em grande escala, como a forma como as galáxias se agregam ao longo do tempo, e em medições precisas da CMB. Quanto mais independentes forem as linhas de evidência, mais fácil será distinguir um verdadeiro sinal físico de uma coincidência estatística.

Também será relevante avaliar o que este tipo de espalhamento implicaria para experiências de deteção, tanto em laboratório como em observatórios de neutrinos, mesmo que o efeito seja extremamente fraco. Em muitos cenários, a utilidade está menos em “ver” diretamente a colisão e mais em restringir o espaço de possibilidades, eliminando modelos de matéria escura que não conseguem reproduzir simultaneamente a CMB, as BAO e a distribuição observada de matéria no Universo.

Os resultados foram publicados na revista Nature Astronomia.