Em 2023, os cientistas descobriram que uma partícula subatômica chamada neutrino estava atingindo a Terra com um nível de energia tão extremo que parecia impossível. Nenhum processo cósmico conhecido pode criar tanta energia. A partícula carregava cerca de 100 mil vezes mais energia do que qualquer coisa já produzida pelo Grande Colisor de Hádrons, o acelerador de partículas mais poderoso da Terra.
Agora, físicos da Universidade de Massachusetts, em Amherst, acreditam ter encontrado uma explicação. A ideia deles envolve a morte explosiva de um tipo raro de buraco negro conhecido como “buraco negro primordial quase extremo”.
A chave para os segredos mais profundos do universo
Num estudo publicado em Revisão de planilhas físicaspesquisadores mostram como tal evento poderia produzir neutrinos com energia tão extraordinária. Eles também sugerem que esta única partícula pode fornecer informações sobre a estrutura fundamental do universo.
O que são buracos negros primordiais?
Os cientistas já entendem como se formam os buracos negros típicos. Quando uma estrela massiva fica sem combustível, ela colapsa formando uma poderosa supernova, deixando para trás um objeto com uma gravidade tão forte que nada, nem mesmo a luz, consegue escapar. Esses buracos negros são extremamente massivos e geralmente estáveis.
Mas em 1970, Física Stephen Hawking sugeriu outra possibilidade. Ele sugeriu que os buracos negros também poderiam ter se formado no universo primitivo, logo após o Big Bang. Eles são chamados de buracos negros primordiais (PBHs). Eles ainda não foram observados diretamente, mas são previstos pela teoria. Como os buracos negros comuns, eles são incrivelmente densos, mas podem ser muito menos massivos.
Hawking também mostrou que os buracos negros não são completamente silenciosos. Quando ficam quentes o suficiente, podem emitir partículas através de um processo agora conhecido como radiação Hawking.
Radiação Hawking e explosões de buracos negros
“Quanto mais leve for o buraco negro, mais quente deverá ser e mais partículas emitirá”, diz Andrea Tamm, coautora do novo estudo e professora associada de física na UMass Amherst. “À medida que os PBHs evaporam, tornam-se mais leves e mais quentes, emitindo ainda mais radiação à medida que escapam até explodirem. Esta é a radiação Hawking que os nossos telescópios podem detectar.”
Se os cientistas pudessem observar uma dessas explosões, ela poderia revelar todos os tipos de partículas fundamentais. Isto incluirá partículas conhecidas, como elétrons, quarks e bósons de Higgs, bem como partículas hipotéticas, como partículas de matéria escura e possivelmente formas inteiramente novas de matéria.
Trabalhos anteriores da equipa da UMass Amherst sugerem que estas explosões podem ocorrer com mais frequência do que o esperado, talvez uma vez por década. Com dispositivos modernos, eles já podem ser detectados.
Da teoria à observação
Até recentemente, esta ideia permanecia puramente teórica.
Então, em 2023, a Colaboração KM3NeT detectou um neutrino extremamente energético. A observação correspondeu ao sinal previsto pelos pesquisadores.
Um quebra-cabeça entre dois experimentos
No entanto, a descoberta levantou uma nova questão. Outro grande experimento, o IceCube, que também foi projetado para detectar neutrinos de alta energia, não registrou nada parecido. Na verdade, ele nunca havia observado um neutrino com nem mesmo uma fração dessa energia.
Se os buracos negros primordiais são comuns e explodem com frequência, por que tais eventos não são vistos com mais frequência? Essa discrepância exigia uma explicação.
O papel de “Dark Charge”
“Achamos que os PBHs com uma ‘carga escura’ – o que chamamos de PBHs quase extremos – são o elo perdido”, diz Joaquim Iguaz Juan, estudante de 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 envolve uma versão muito mais pesada do elétron, chamada “elétron escuro”.
“Existem outros modelos mais simples de PBH”, diz Michael Baker, coautor e professor associado de física na UMass Amherst; “Nosso modelo de carga escura é mais complexo, o que significa que pode fornecer um modelo mais preciso da realidade. O que é tão legal é ver que nosso modelo pode explicar esse fenômeno de outra forma inexplicável.”
“A carga escura PBH”, acrescenta Tamm, “tem propriedades únicas e se comporta de maneira diferente de outros modelos PBH mais simples. Mostramos que isso pode fornecer uma explicação para todos os dados experimentais aparentemente contraditórios.”
Isso poderia explicar a matéria escura?
Os investigadores acreditam que o seu modelo pode fazer mais do que explicar um único neutrino incomum. Também poderia ajudar a resolver um dos maiores mistérios da física.
“Observações de galáxias e da radiação cósmica de fundo em micro-ondas sugerem que existe algum tipo de matéria escura”, diz Baker.
“Se a nossa hipótese de carga escura estiver correta”, acrescenta Iguaz Juan, “então acreditamos que pode existir uma população significativa de PBHs, o que seria consistente com outras observações astrofísicas e explicaria toda a matéria escura em falta no Universo”.
Uma nova janela para o universo
“Observar um neutrino de alta energia foi um evento incrível”, conclui Baker. “Isso deu-nos uma nova janela para o universo. Mas agora podemos estar prestes a verificar experimentalmente a radiação Hawking, obter provas da existência de buracos negros primordiais e de novas partículas para além do Modelo Padrão, e explicar o mistério da matéria escura.”
