Em 2023, os cientistas detectaram uma partícula subatômica chamada neutrino atingindo a Terra em um nível de energia tão alto que parecia impossível. Nenhum processo cósmico conhecido pode gerar 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 da Terra.
Agora, os físicos da Universidade de Massachusetts Amherst acham que podem ter uma explicação. A ideia deles envolve a morte explosiva de um tipo raro de buraco negro, chamado de “buraco negro primordial quase extremo”.
Pistas para os segredos mais profundos do universo
Num estudo publicado em Cartas de revisão físicaOs investigadores mostraram como tal evento poderia produzir neutrinos com esta energia extraordinária. Eles também acreditam que esta única partícula poderia fornecer informações sobre a estrutura fundamental do universo.
O que é um buraco negro primordial?
Os cientistas já sabem como se formam os buracos negros típicos. Quando uma estrela massiva fica sem combustível, ela entra em colapso em uma poderosa supernova e deixa para trás um objeto com uma gravidade tão forte que nada, nem mesmo a luz, pode escapar. Esses buracos negros são extremamente massivos e globalmente estáveis.
Mas em 1970, os físicos Stephen Hawking propõe outra possibilidade. Ele acredita que os buracos negros também podem ter se formado no universo primitivo, logo após o Big Bang. Estes são chamados de buracos negros primordiais (PBHs). Eles não foram observados diretamente, mas foram previstos pela teoria. Como os buracos negros comuns, eles são muito densos, mas podem ter muito menos massa.
Hawking também mostrou que os buracos negros não são completamente silenciosos. Se ficarem suficientemente quentes, podem emitir partículas através de um processo agora denominado radiação Hawking.
Radiação Hawking e explosões de buracos negros
“Quanto mais leve for o buraco negro, mais quente deverá ser e mais partículas deverá emitir”, disse Andrea Thamm, co-autora do novo estudo e professora assistente de física na Universidade de Massachusetts Amherst. “À medida que os PBHs evaporam, tornam-se mais leves e mais quentes, emitindo mais radiação num processo descontrolado até explodirem. Os nossos telescópios podem detectar a radiação Hofar.”
Se os cientistas pudessem 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 partículas hipotéticas, como partículas de matéria escura e talvez até formas inteiramente novas de matéria.
Pesquisas anteriores da equipe da UMass Amherst sugeriram que essas explosões podem ocorrer com mais frequência do que o esperado, talvez uma vez a cada década. Com a instrumentação atual, já pode ser possível detectá-los.
Da teoria à observação
Até recentemente, a ideia permanecia puramente teórica.
Então, em 2023, a colaboração KM3NeT detectou neutrinos de energia extremamente alta. Esta observação é consistente com o tipo de sinal previsto pelos pesquisadores.
Um quebra-cabeça entre dois experimentos
No entanto, esta descoberta levanta uma nova questão. Outro grande experimento, o IceCube, também foi projetado para detectar neutrinos de alta energia, mas não registrou nada semelhante. Na verdade, nunca observou um neutrino com sequer uma fração da energia.
Se os buracos negros primordiais são comuns e explodem com frequência, por que tais eventos não acontecem com mais frequência? Esta inconsistência requer uma explicação.
O papel da “carga escura”
“Acreditamos que os PBHs com ‘carga escura’ – o que chamamos de PBHs quase extremos – são o elo perdido”, disse Joaquim Iguaz Juan, pesquisador de pós-doutorado em física na UMass Amherst e um dos coautores do artigo.
A “carga escura” proposta se comporta de maneira semelhante à força elétrica familiar, mas inclui versões mais pesadas de elétrons chamados “elétrons escuros”.
“Existem outros modelos PBH mais simples”, disse o coautor Michael Baker, professor assistente de física na UMass Amherst. “Nosso modelo de carga escura é mais sofisticado, o que significa que pode fornecer um modelo mais preciso da realidade. O legal é ver que nosso modelo pode explicar esse fenômeno inexplicável.”
Thamm acrescentou: “PBHs com carga escura têm propriedades únicas e se comportam de maneira diferente de outros modelos PBH mais simples. Mostramos que isso pode fornecer uma explicação para todos os dados experimentais aparentemente inconsistentes.”
Isso poderia explicar a matéria escura?
Os pesquisadores acreditam que seu modelo pode explicar mais do que apenas um único neutrino incomum. Também pode ajudar a resolver um dos maiores mistérios da física.
“Observações de galáxias e da radiação cósmica de fundo em micro-ondas indicam a presença de algum tipo de matéria escura”, disse Baker.
Iguaz-Juan acrescentou: “Se a carga escura que hipotetizamos estiver correta, então acreditamos que pode haver quantidades significativas de PBH, o que é consistente com outras observações astrofísicas e poderia explicar toda a matéria escura ausente no universo”.
Uma nova janela para o universo
“Observar neutrinos de alta energia é um evento incrível”, concluiu Baker. “Isso nos dá uma nova janela para o universo. Mas agora estamos prestes a verificar experimentalmente a radiação Hawking, obter evidências de buracos negros primordiais e novas partículas além do Modelo Padrão, e explicar o mistério da matéria escura.”
