Em Busca da MatEm Busca da Matéria Escuraéria Escuraem laboratórios terrestresem laboratórios terrestres

Rogério RosenfeldRogério RosenfeldInstituto de Física Teórica/UNESPInstituto de Física Teórica/UNESP

Jornada de Física TeóricaJulho 2008

ROTEIROROTEIRO•• Revisão de evidências observacionais da Revisão de evidências observacionais da existência da Matéria Escura no Universoexistência da Matéria Escura no Universo

•• Busca direta de Matéria Escura em Busca direta de Matéria Escura em laboratórios terrestreslaboratórios terrestres

•• Busca indireta de Matéria EscuraBusca indireta de Matéria Escura

•• Produção e detecção de Matéria EscuraProdução e detecção de Matéria Escura

O que é Matéria Escura?O que é Matéria Escura?

Toda matéria que conhecemos ao nossoToda matéria que conhecemos ao nossoredor é feita de redor é feita de átomosátomos..

Existem evidências que apenas 4% do Existem evidências que apenas 4% do Universo é feito de átomos!!Universo é feito de átomos!!

O que é Matéria Escura?O que é Matéria Escura?

Deve portanto existir um novo tipo de Deve portanto existir um novo tipo de matéria, que ainda não conhecemos. matéria, que ainda não conhecemos.

Esse novo tipo de matéria não deve Esse novo tipo de matéria não deve interagir com a luz, caso contrário já interagir com a luz, caso contrário já teríamos visto. teríamos visto.

A essa matéria invisível é dada o nome A essa matéria invisível é dada o nome Matéria EscuraMatéria Escura. .

O que é a matéria escura?Deve ser composta de partículas neutras e

estáveis

Como observar Matéria Escura?Como observar Matéria Escura?Apesar de ser invisível, a matéria escura Apesar de ser invisível, a matéria escura produz efeitos gravitacionais devido a sua produz efeitos gravitacionais devido a sua massa.massa.

São exatamente esses efeitos gravitacionais São exatamente esses efeitos gravitacionais em grandes escalas no Universo que levam em grandes escalas no Universo que levam a evidências de sua existência (a evidências de sua existência (obs: assumindo obs: assumindo que a teoria da gravitação esteja corretaque a teoria da gravitação esteja correta).).

Evidências observacionaisEvidências observacionais

I. Dinâmica de aglomerados de galáxias

Há muito mais massa emaglomerados do que podemos atribuir à matéria conhecida! (Zwicky, 1933)

F. Zwicky1898-1974

II. Curva de rotação de galáxias

Vera Rubin

galáxiagaláxia

nuvem denuvem dehidrogêniohidrogênio

2

2 )(r

rGmMrvm

Curvas de rotação de galáxiasCurvas de rotação de galáxias

“Dentro” da galáxia:“Dentro” da galáxia:

rvrrM 3

34)(

“Fora” da galáxia:“Fora” da galáxia:

rvMrM 1)(

vv

rrrrgg

III. Lentes gravitacionais

WMAP team

Luz distorcida pelo efeito gravitacional da matéria escura

Contornos de densidade de matéria

Collision of two galaxies:dark matter lumps pass through

Collision of two galaxies:gaseous matter stuck in between

Clowe et al, 2006

IV. Bullet Cluster

V. Flutuações na radiação cósmica de fundo

átomos

WMAP

c

XX

porcentagem dacomponente XX= matéria, radiação, constante cosmológica,…

WMAP + estruturas em grandes escalas (Spergel et al. 2003/2006)

•ΩT = 1.02 ±0.02•ΩL = 0.73 ± 0.04•Ωm = 0.27 ± 0.04•Ωb = 0.044 ± 0.004

A maior parte da matériaescura não é feita de átomos!

VI. Nucleossíntese de elementos leves

04.0atomos Alpher morreu em12/08/2007

?

Robert Herman, George Gamow, and Ralph Alpher (left to right) with their bottle of YLEM, afanciful primordial form of matter they concocted. Today we would call it quark soup. Alpher and Herman surreptitiously created this montage and sneaked it into a box of slides Gamow hadprepared for a talk. When it appeared on the screen, Gamow, after a moment of shock, was very pleased. (Courtesy of Ralph Alpher.)

Teoria de Teoria de abg:abg:•• universo estáticouniverso estático•• ignoram a radiaçãoignoram a radiação“in absentia”

11ª previsão da temperatura deª previsão da temperatura deradiação cósmica de fundo!radiação cósmica de fundo!

Descoberta em Descoberta em 19651965 por por Penzias e Wilson Penzias e Wilson ((prprêmio Nobel em 1978êmio Nobel em 1978))..

VII. Expansão acelerada do Universo

Taxa de expansão do Universo é sensível à proporção Taxa de expansão do Universo é sensível à proporção entre matéria escura e energia escura.entre matéria escura e energia escura.

VIII. Formação de estrutura no Universo

A presença de matéria escura é fundamental paraA presença de matéria escura é fundamental paraa formação de estrutura observada no Universo.a formação de estrutura observada no Universo.

Sloan Digital Sky Survey 300 mil galáxias!Sloan Digital Sky Survey 300 mil galáxias!

Conclusão das observações:

Modelo de concordância

7.0,3.0 M

Nosso UniversoNosso Universo

Em Busca da Matéria Escura Em Busca da Matéria Escura em Laboratórios Terrestresem Laboratórios Terrestres

Freeman (1970): evidência de um halo escuro, esferoidal

Estamos imersos em um mar de Matéria Escura!!Estamos imersos em um mar de Matéria Escura!!

Partículas de matéria escura se movem no halo com Partículas de matéria escura se movem no halo com uma velocidade média de 240 km/s.uma velocidade média de 240 km/s.

Propriedades do halo de nossa galáxiaPropriedades do halo de nossa galáxia

A densidade de energia devido a matéria escura na A densidade de energia devido a matéria escura na vizinhança do sistema solar é de 0.3 GeV/cmvizinhança do sistema solar é de 0.3 GeV/cm33..

Quantas partículas de matéria escura atravessam umaQuantas partículas de matéria escura atravessam umapessoa na Terra a cada segundo?pessoa na Terra a cada segundo?

Da ordem de 1 bilhão!!Da ordem de 1 bilhão!!

Detecção diretaDetecção direta

Detectar as partículas de matéria escura presente no halo de Detectar as partículas de matéria escura presente no halo de nossa galáxia.nossa galáxia.

Como detectar: colisão de WIMPs partícula com o detector.Como detectar: colisão de WIMPs partícula com o detector.

Para que as partículas de matéria escura existam na quantidadePara que as partículas de matéria escura existam na quantidadeobservada elas devem ter uma interação fraca. Essa é a origemobservada elas devem ter uma interação fraca. Essa é a origemda denominação da denominação Weakly Interacting Massive ParticlesWeakly Interacting Massive Particles ((WIMPsWIMPs). ).

IDÉIA BÁSICAIDÉIA BÁSICA

••Detecção direta de WIMPSDetecção direta de WIMPS

Cristal de Ge, NaI, Si,...Cristal de Ge, NaI, Si,...

WIMP do halo da galáxiaWIMP do halo da galáxia

Núcleo com recuo (calor,luz,som)Núcleo com recuo (calor,luz,som)

WIMPSWIMPS

Edelweiss (1600 metros sob Frejus)Edelweiss (1600 metros sob Frejus)

1 kg de Germânio1 kg de Germânio

Vários experimentos ao redor do mundoVários experimentos ao redor do mundo

Mina Soudan, MNMina Soudan, MN 20 mK20 mK

Os resultados são mostrados no planoOs resultados são mostrados no planoprob. de interação WIMPprob. de interação WIMP--próton x massa do WIMPpróton x massa do WIMP

“Vento” de WIMPs devido ao“Vento” de WIMPs devido aomovimento da Terra em tornomovimento da Terra em tornodo Sol! do Sol!

Sinal positivo!Sinal positivo!100 kg NaI;100 kg NaI;dados de 1995 a 2002dados de 1995 a 2002

Detecção indiretaDetecção indireta

Partículas de matéria escura devem ser estáveis e portanto Partículas de matéria escura devem ser estáveis e portanto não se desintegram.não se desintegram.

Apesar de serem estáveis, elas podem se aniquilar quando 2Apesar de serem estáveis, elas podem se aniquilar quando 2delas se encontram (delas se encontram (da mesma forma que elétrons e pósitronsda mesma forma que elétrons e pósitrons).).

Essa possibilidade de encontro é maior em regiões mais densas. Essa possibilidade de encontro é maior em regiões mais densas.

Elas devem estar presentes em maior concentração em lugares Elas devem estar presentes em maior concentração em lugares mais densos como no centro de nossa galáxia. mais densos como no centro de nossa galáxia.

Detecção indiretaDetecção indireta

Essa aniquilação gera muitas partículas energéticas, tipicamenteEssa aniquilação gera muitas partículas energéticas, tipicamentefótons e neutrinos.fótons e neutrinos.

Experimentos de fótons e neutrinos podem detectar ou por limitesExperimentos de fótons e neutrinos podem detectar ou por limitespara modelos de matéria escura e do halo da galáxia. para modelos de matéria escura e do halo da galáxia.

Portanto, um sinal indireto dessas partículas de matéria escura Portanto, um sinal indireto dessas partículas de matéria escura seria a detecção de um excesso de fluxo de fótons ou neutrinos seria a detecção de um excesso de fluxo de fótons ou neutrinos do do centro de nossa galáxiacentro de nossa galáxia..

Detecção indiretaDetecção indireta

nn

nn

SuperK, IceCube, ANTARESSuperK, IceCube, ANTARES

An Astro-Particle Physics Partnership Exploring the High Energy Universe

Spacecraft: Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST)Launch Vehicle: United Launch Alliance Delta II 7920-H

Launch Location: Cape Canaveral Air Force Station, Florida Launch Pad: Launch Complex 17-B

Launch Date: June 11, 2008Launch Time: 12:05:521 p.m. EDT

Successful Launch for GLAST

Produção da Matéria EscuraProdução da Matéria EscuraProdução de partículas de matéria escura no laboratório em grandes experimentos de colisões de protons.

E = mc2

Túnel do CERN LHC

Circumferenceof ring ~ 27 km

Diameter 25 mBarrel toroid length 26 mEnd-cap end-wall chamber span 46 mOverall weight 7000 Tons

ATLAS Experiment

CMS Experiment

Identificação da Matéria Escura no LHCIdentificação da Matéria Escura no LHCSinal de WIMPS: aparente violação da conservação de energiaSinal de WIMPS: aparente violação da conservação de energia--momentomomento

Surpresas podem acontecerSurpresas podem acontecer

CONCLUSCONCLUSÕESÕES

Natureza Natureza é sutil mas pode é sutil mas pode ser maliciosa tambémser maliciosa também

O LHC e os experimentos de detecção direta testam partículasO LHC e os experimentos de detecção direta testam partículasem escalas de tempo muito diferentes:em escalas de tempo muito diferentes:

partículas com meia vida de partículas com meia vida de segundossegundos são “estáveis” no LHC;são “estáveis” no LHC;partículas com meia vida de partículas com meia vida de bilhões de anosbilhões de anos são “estáveis” parasão “estáveis” paraser matéria escura.ser matéria escura.

Pode ser que, caso o LHC encontre uma partícula “estável”,Pode ser que, caso o LHC encontre uma partícula “estável”,esta não seja matéria escura!esta não seja matéria escura!

Natureza Natureza é sutil mas pode é sutil mas pode ser maliciosa tambémser maliciosa também

Outra possibilidade maliciosa é que a matéria escura tenha umaOutra possibilidade maliciosa é que a matéria escura tenha umainteração tão pequena com matéria normal que sua detecção interação tão pequena com matéria normal que sua detecção direta seja impossível (gravitinos).direta seja impossível (gravitinos).

Existem outros candidatos a matéria escura que interagemExistem outros candidatos a matéria escura que interagemmuito fracamente com a luz mas que podem ser detectados muito fracamente com a luz mas que podem ser detectados na Terra com outros tipos de experimento que estão emna Terra com outros tipos de experimento que estão emfuncionamento (áxions).funcionamento (áxions).

4%

A matéria escura ainda nãofoi detectada em laboratórios.

Não sabemos do que é feita!

Composição do Universo

Dezenas de experimentos paraDezenas de experimentos paradesvendar a natureza da ME desvendar a natureza da ME