Em 2023, os cientistas detectaram uma partícula subatômica chamada neutrino atingindo a Terra com um nível de energia tão improvável que parecia. Nenhum processo cósmico conhecido pode produzir tanta energia. A partícula carrega cerca de 100 mil vezes mais energia do que qualquer coisa produzida pelo Grande Colisor de Hádrons, o acelerador de partículas mais poderoso do mundo.
Agora, os físicos da Universidade de Massachusetts Amherst acham que encontraram uma explicação. A ideia deles envolve a morte explosiva de um tipo raro de buraco negro conhecido como “buraco negro primordial quase extremo”.
Uma pista para os mistérios mais profundos do universo
Em um estudo publicado pelo Dr. Carta de revisão físicaOs pesquisadores mostram como tal evento pode produzir um neutrino com esta energia extraordinária. Eles também sugerem que esta única partícula poderia fornecer informações sobre a estrutura fundamental do universo.
O que é um buraco negro primordial?
Os cientistas já entendem como se formam os buracos negros comuns. Quando uma estrela massiva fica sem combustível, ela entra em colapso numa poderosa supernova, deixando para trás um objeto com uma gravidade tão forte que nada, nem mesmo a luz, pode escapar. Esses buracos negros são extremamente massivos e geralmente estáveis.
Mas em 1970, o físico Dr. Stephen Hawking propôs outra possibilidade. Ele sugeriu que os buracos negros podem ter se formado no início do universo logo após o Big Bang. Estes são chamados de buracos negros primordiais (PBHs). Eles ainda não foram observados diretamente, mas são previstos pela teoria. Como os buracos negros normais, eles são incrivelmente densos, mas podem ter massa muito menor.
Hawking também mostrou que os buracos negros não são completamente silenciosos. Se ficarem suficientemente quentes, podem emitir partículas através de um processo agora conhecido como radiação Hawking.
Radiação Hawking e explosões de buracos negros
“Quanto mais leve for um buraco negro, mais quente ele deverá ser e mais partículas deverá emitir”, disse Andrea Tham, coautora do novo estudo e professora assistente de física na UMass Amherst. “À medida que os PBHs evaporam, tornam-se mais leves e mais quentes, emitindo mais radiação num processo descontrolado até explodirem. Esta é a radiação Hawking que os nossos telescópios podem detectar.”
Se os cientistas conseguissem observar uma dessas explosões, ela poderia revelar todos os tipos de partículas elementares. Isso incluiria partículas conhecidas, como elétrons, quarks e o bóson de Higgs, bem como tipos de matéria hipotéticos e possivelmente inteiramente novos, como partículas de matéria escura.
Trabalhos anteriores da equipa da UMass Amherst sugerem que estas erupções podem ocorrer com mais frequência do que o esperado, talvez uma vez por década. Com os instrumentos atuais, já pode ser possível detectá-los.
Observações da teoria
Até recentemente, este conceito era puramente teórico.
Então, em 2023, a colaboração KM3NeT detectou neutrinos extremamente poderosos. A observação correspondeu ao tipo de sinal que os pesquisadores haviam previsto.
Um quebra-cabeça entre dois testes
No entanto, a descoberta levanta uma nova questão. Outro grande experimento, o IceCube, projetado para detectar neutrinos de alta energia, não registrou nada semelhante. Na verdade, nunca observou um neutrino com uma fração dessa energia.
Se os buracos negros primordiais são comuns e explodem com frequência, por que esses tipos de eventos não são mais comuns? Esta discrepância requer uma explicação.
Introdução à “Carga Negra”.
“Acreditamos que o PBH com uma ‘carga escura’ – que chamamos de PBH quase extremo – é o elo perdido”, disse Joaquim Iguaz Juan, pesquisador de pós-doutorado em física na UMass Amherst e coautor do artigo.
A “carga escura” proposta se comporta de maneira semelhante à força elétrica familiar, mas contém uma versão muito mais pesada do elétron, chamada “elétron escuro”.
“Existem outros modelos mais simples do PBH”, disse o co-autor Michael Baker, professor assistente de física na UMass Amherst. “O nosso modelo de carga escura é mais complexo, o que significa que pode fornecer um modelo mais preciso da realidade. O que é óptimo é que o nosso modelo pode explicar este fenómeno de outra forma inexplicável.”
“Um PBH com carga escura”, acrescenta Tham, “tem propriedades únicas e se comporta de maneira diferente de outros modelos de PBH mais simples. Mostramos que isso pode fornecer uma explicação para dados experimentais aparentemente inconsistentes.”
Isso poderia explicar a matéria escura?
Os investigadores acreditam que o seu modelo pode fazer mais do que explicar um único neutrino anómalo. Também pode ajudar a resolver um dos maiores mistérios da física.
“Observações de galáxias e da radiação cósmica de fundo em micro-ondas sugerem que existe alguma forma de matéria escura”, disse Baker.
“Se a nossa hipótese de carga escura for verdadeira”, acrescentou Iguaz Juan, “então acreditamos que os PBHs podem ter uma população significativa, o que seria consistente com outras observações astronómicas e seria responsável por toda a matéria escura em falta no Universo”.
Uma nova janela para o universo
“Observar neutrinos de alta energia foi um evento incrível”, concluiu Becker. “Isso nos deu uma nova janela para o universo. Mas agora podemos verificar experimentalmente a radiação Hawking, encontrar evidências tanto de buracos negros primordiais quanto de novas partículas fora do Modelo Padrão e explicar o mistério da matéria escura.”
