Candidatos a Matéria Escura e Modelos de Partículas

Muitas teorias propõem o que a matéria escura poderia ser, desde partículas massivas de interação fraca até áxions ultraleves, cada uma implicando uma maneira diferente de como poderia ser descoberta.

Definition

Candidatos a matéria escura são partículas ou objetos hipotéticos que poderiam constituir a matéria escura não bariônica, caracterizados por sua massa, força de interação e o mecanismo cosmológico que produz a abundância relíquia observada.

Scope

Este tópico abrange os principais candidatos a partículas para a matéria escura, incluindo partículas massivas de interação fraca, áxions, neutrinos estéreis e buracos negros primordiais, os mecanismos de produção que estabelecem sua abundância relíquia, como o congelamento térmico (thermal freeze-out), e as estruturas teóricas como a supersimetria que os motivam.

Core questions

• Que tipos de partículas poderiam compor a matéria escura?
• Como cada candidato adquire a abundância cósmica correta?
• Por que WIMPs e áxions são considerados especialmente bem motivados?

Key concepts

• WIMP
• Áxion
• Neutrino estéril
• Buraco negro primordial
• Congelamento térmico (Thermal freeze-out)
• Abundância relíquia
• Supersimetria

Key theories

WIMPs relíquias térmicas

Uma partícula massiva de interação fraca (WIMP) em equilíbrio térmico no universo primordial congela (freezes out) com uma abundância relíquia naturalmente próxima à densidade de matéria escura observada, uma coincidência conhecida como o milagre WIMP.

Áxions e candidatos leves

Bósons ultraleves, como o áxion, originalmente propostos para resolver um problema na física de partículas, podem ser produzidos não termicamente no universo primordial e se comportar como matéria escura fria, oferecendo uma alternativa aos WIMPs.

Mechanisms

Candidatos térmicos permanecem em equilíbrio até que sua taxa de aniquilação caia abaixo da taxa de expansão e eles congelem (freeze out), fixando a densidade relíquia por sua seção transversal; candidatos não térmicos, como os áxions, são produzidos por oscilações de campo, enquanto a natureza fria e lenta de candidatos viáveis é necessária para corresponder à formação de estruturas.

Clinical relevance

O panorama dos candidatos orienta a estratégia experimental: a massa e a força de interação assumidas determinam se a matéria escura é melhor procurada em detectores subterrâneos, com telescópios caçando produtos de aniquilação, em cavidades de busca de áxions ou em colisores, de modo que a teoria e os programas de busca estão intimamente ligados.

History

Após o amadurecimento da evidência dinâmica, a década de 1980 viu a matéria escura fria se tornar o paradigma padrão, com WIMPs supersimétricos e o áxion emergindo como candidatos principais; décadas de buscas nulas desde então ampliaram a atenção para neutrinos estéreis, buracos negros primordiais e partículas mais leves ou mais fracamente acopladas.

Debates

O status do paradigma WIMP

A ausência de detecções de WIMPs, apesar de experimentos cada vez mais sensíveis, provocou debate sobre se o WIMP continua sendo o candidato mais provável ou se a atenção deve se voltar para áxions, partículas mais leves ou cenários inteiramente diferentes.

Key figures

• Gianfranco Bertone
• Dan Hooper
• Joseph Silk
• Helen Quinn
• Roberto Peccei

Seminal works

• bertone2005

Frequently asked questions

O que é o milagre WIMP?

É a observação de que uma partícula estável com massa e interações aproximadamente na escala fraca, congelando (freezing out) do equilíbrio térmico no universo primordial, naturalmente terminaria com cerca da densidade de matéria escura observada, tornando os WIMPs um candidato teoricamente atraente.

A matéria escura poderia ser buracos negros?

Buracos negros primordiais formados no universo primordial são um possível candidato, mas as restrições observacionais de lentes gravitacionais, dinâmica e o fundo cósmico de micro-ondas os limitam a janelas de massa estreitas, de modo que podem ser, no máximo, uma fração da matéria escura na maioria das faixas.