Apenas esperar que uma partícula de matéria escura seja “pega” por um dos detectores terrestres não deixa a comunidade científica muito satisfeita, devemos lembrar que as partículas de matéria escura interagem fracamente, ou seja, interagem apenas por seus efeitos gravitacionais e por interações fracas, para resolver esse problema, os físicos tiveram uma grande idéia, construíram e testaram modelos em simulações computacionais que consideram que as partículas de matéria escura ou WIMP’s, como comumente são conhecidas, são suas próprias antipartículas.

     As simulações computacionais que consideram este fato são bem sucedidas quando procura estudar a evolução de nosso universo, a grande ideia consiste em considerar que apesar das WIMP’s (partículas de matéria escura) dificilmente interagirem com a matéria bariônica, elas eventualmente podem interagir entre si. Quando uma WIMP colide com sua antiparticula, um processo de aniquilação ocorre e nossos detectores são capazes que detectar o resultado desta aniquilação.

Crédito do Vídeo: Universe Odyssey

Disponível em:  https://www.youtube.com/watch?v=fec8DEGsxY4

     Quando duas WIMP’s interagem, elas se aniquilam mutuamente e liberam uma onda de partículas secundárias juntamente com raios gama. Os físicos esperam encontrar essas assinaturas de alta energia de matéria escura vasculhando os arredores de nossa galáxia. O modelo padrão superssimétrico mínimo prevê que uma classe de partículas e matéria escura conhecida como neutralino possam aniquilar-se umas as outras, produzindo uma cascata de partículas e radiação que incluem uma classe de raios gama (ver figura 1), desse modo, se os neutralinos realmente existirem, nossos detectores podem detectar os raios gama associados com sua aniquilação. Se os físicos tiverem sucesso, essa descoberta vai ajudar a resolver um dos mistérios mais grandiosos da astronomia.

Figura 1 – Algumas possibilidades de subprodutos que podem ter origem na aniquilação dos neutralinos (WIMP’s) previstos pelo modelo padrão superssimétrico mínimo.

Crédito da Figura:Nasa

Disponível em: http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/science/dark_matter.html

          Enquanto as teorias atuais predizem que a matéria escura está produzindo raios gama em quase todo o universo, detectar estes sinais particulares, entre outros ruídos galácticos, como os raios gama emitidos por pulsares, é um desafio, o sucesso dessas teorias é conseguir “separar” os raios gama produzidos pela aniquilação das partículas de matéria escura (WIMP’s), dos raios gama gerados por diversas outras fontes do Universo, uma vez que eles não são raros de serem detectados. Para “separar” os dois tipos de raios gama os físicos criaram algumas diretrizes:

• A supersimetria prevê que a aniquilação das WIMP’s criará raios gama de comprimentos de onda específicos, distintos daqueles gerados por outras fontes, tais como buracos negros ou supernovas.
• A aniquilação das partículas de matéria escura deve produzir raios gama exclusivamente, descartando as interações que envolvem outras formas de radiação.
• Esses sinais devem aparecer nos detectores não como fontes pontuais, mas como grandes manchas no céu, algumas quase duas vezes tão grandes quanto a Lua cheia.
• Esses fluxos de raios gama devem ser contínuos, uma diferença marcante das explosões de raios gama que os físicos estão acostumados a detectar, que duram apenas alguns milésimos de segundo.

          Se os físicos forem capazes de detectar um sinal com todas essas características, teremos boas chances de encontrar a fonte de aniquilação destas WIMP’s, mas a natureza das partículas de matéria escura é tão misteriosa que diversos experimentos com técnicas de detecção diferentes estão sendo executados em paralelo, podemos citar as pesquisa com detectores subterrâneos ou as tentativas de “fabricar” as WIMP’s nos aceleradores de partículas, principalmente no Large Hadron Collider (LHC) do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN) na Suíça.

      Justamente o fato de a detecção ser através de um fóton com uma energia característica é que torna sua identificação uma tarefa muito difícil, afinal as partículas de matéria escura não interagem com a luz, ou seja, não emitem ou absorvem fótons. A análise dos modelos teóricos atualmente disponíveis indica que os candidatos mais prováveis a matéria escura são conhecidos como partículas massivas que interagem fracamente ou na sigla em inglês WIMP, que curiosamente é um acrônimo de “fracotes”.

Detecção no Large Hadron Collider (LHC)

           A possibilidade de podermos “fabricar” as partículas de matéria escura (WIMP’s) no grande colisor de hádrons é real e os físicos estão animados com essa possibilidade, afinal esse grande experimento foi idealizado de maneira que sua seção de choque permita “detectar” as WIMP’s.

         Diversos modelos teóricos prevêem que as partículas de matéria escura (WIMP’s) seriam leves o suficiente para serem produzidas no LHC. Para produzir novas partículas no LHC, os cientistas bombeiam prótons cheios de energia cinética e, em seguida, produzem colisões. A energia da colisão de partículas pode transformar-se em massa, sob a forma de novas partículas, que, em seguida, se decompõem em partículas de menor massa e, eventualmente, novamente em energia.

Crédito do vídeo: CERN

Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=Ko_eDMhe5z8

        Se as WIMP’s puderem ser criadas no LHC, elas escapariam através dos detectores despercebidas. No entanto, elas revelariam uma enorme quantidade de energia e momento, e é assim que os físicos poderiam inferir a sua existência a partir da quantidade de energia e momento "em falta" após uma colisão.

       Para que possamos compreender o que significa quantidade de energia e momento em “falta”, podemos imaginar uma brincadeira de quebra cabeças. Se estivermos brincando com um quebra cabeças de 100 peças, após montado corretamente podemos perceber claramente que elas se encaixam corretamente e uma figura coerente se forma.

          Se o montarmos diversas vezes teremos sempre o mesmo resultado da primeira montagem, mas se eventualmente, quando terminarmos de montar o quebra cabeças estiver faltando uma das peças, saberemos com certeza qual a peça esta faltando, mesmo uma pessoa que monte o quebra cabeças com uma peça faltando pela primeira vez saberá com certeza a forma e o desenho da peça que está faltando.

       De uma maneira análoga, podemos inferir a peça que está “faltando” quando ocorre uma colisão no LHC, seus detectores serão capazes de detectar as “peças” conhecidas e uma analise detalhada dos dados pode nos fornecer as características da peça que está faltando, se a quantidade de energia e momento que estiver faltando estiver de acordo com a quantidade de energia e momento de uma partícula de matéria escura prevista pelos modelos teóricos, pode mos inferir que um sinal consistente de uma WIMP foi detectado pelo LHC.

       Uma quantidade equilibrada de energia deve sair de cada um dos lados de uma colisão de partículas. Quando há um desequilíbrio, os cientistas sabem que algo surgiu a partir da colisão que o detector não pode ver. É dessa maneira que os físicos descobriram neutrinos, que raramente interagem com as partículas existes no atual modelo padrão das partículas e interações fundamentais. Os neutrinos não estavam aparecendo nos detectores de partículas, mas a sua ausência fez causar um desequilíbrio da energia proveniente das colisões.

     Se detectarmos estes sinais, será extremamente importante para a comunidade científica, ele representará uma grande conquista intelectual e tecnológica e um grande salto à frente em nossa compreensão do universo nas maiores e menores escalas ao mesmo tempo.