Em 2023, cientistas detectaram uma partícula subatômica chamada neutrino atingindo a Terra com um nível de energia tão extremo que parecia impossível. Nenhum processo cósmico conhecido pode gerar tanta energia. A partícula carregava cerca de 100.000 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 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 quasi-extremal”.
Uma Pista para os Segredos Mais Profundos do Universo
Em um estudo publicado na Physical Review Letters, os pesquisadores mostram como tal evento poderia produzir um neutrino com essa energia extraordinária. Eles também sugerem que essa única partícula poderia fornecer insights sobre a estrutura fundamental do universo.
O Que São Buracos Negros Primordiais?
Cientistas já entendem como formam buracos negros típicos. Quando uma estrela massiva fica sem combustível, ela colapsa em uma supernova poderosa 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 geralmente estáveis.
Mas em 1970, o físico Stephen Hawking propôs outra possibilidade. Ele sugeriu que buracos negros também poderiam se formar no universo primitivo, logo após o Big Bang. Esses são chamados buracos negros primordiais (PBHs). Eles ainda não foram observados diretamente, mas são previstos pela teoria. Assim como os buracos negros comuns, eles são incrivelmente densos, mas podem ser muito menores em massa.
Hawking também mostrou que os buracos negros não são completamente silenciosos. Se se tornarem quentes o suficiente, eles podem emitir partículas através de um processo agora conhecido como radiação de Hawking.
Radiação de Hawking e Explosões de Buracos Negros
“Quanto mais leve é um buraco negro, mais quente ele deve ser e mais partículas emitirá”, diz Andrea Thamm, co-autora da nova pesquisa e professora assistente de física na UMass Amherst. “À medida que os PBHs evaporam, eles se tornam cada vez mais leves, e portanto mais quentes, emitindo ainda mais radiação em um processo desenfreado até a explosão. É essa radiação de Hawking que nossos telescópios podem detectar.”
Se os cientistas conseguissem observar uma dessas explosões, isso poderia revelar todos os tipos de partículas fundamentais. Isso incluiria partículas conhecidas como elétrons, quarks e bósons de Higgs, assim como partículas hipotéticas, como partículas de matéria escura e possivelmente novas formas de matéria.
Trabalhos anteriores da equipe da UMass Amherst sugerem que essas explosões podem ocorrer mais frequentemente do que se imaginava, talvez uma vez a cada década. Com os instrumentos atuais, pode já ser possível detectá-las.
Da Teoria à Observação
Até recentemente, essa ideia permanecia puramente teórica.
Então, em 2023, a Colaboração KM3NeT detectou o neutrino de alta energia. A observação coincidiu com o tipo de sinal que os pesquisadores haviam previsto.
Um Enigma Entre Dois Experimentos
No entanto, a descoberta levantou uma nova questão. Outro experimento importante, IceCube, que também foi projetado para detectar neutrinos de alta energia, não registrou nada semelhante. De fato, nunca observou um neutrino com sequer uma fração daquela energia.
Se os buracos negros primordiais são comuns e frequentemente explodem, por que tais eventos não são vistos mais frequentemente? Essa inconsistência precisava de uma explicação.
O Papel da “Carga Escura”
“Acreditamos que os PBHs com uma ‘carga escura’ – o que chamamos de PBHs quasi-extremais – são o elo perdido,” diz Joaquim Iguaz Juan, um pesquisador de pós-doutorado em física na UMass Amherst e um dos co-autores do artigo.
A “carga escura” proposta se comporta de maneira semelhante à força elétrica familiar, mas inclui uma versão muito mais pesada do elétron, chamada de “elétron escuro.”
“Existem outros modelos mais simples de PBHs por aí,” diz Michael Baker, co-autor e professor assistente 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 interessante é ver que nosso modelo pode explicar esse fenômeno que antes parecia inexplicável.”
“Um PBH com uma carga escura,” acrescenta Thamm, “tem propriedades únicas e se comporta de maneiras que diferem de outros modelos de PBHs mais simples. Nós 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 poderia fazer mais do que explicar um único neutrino incomum. Ele pode também ajudar a resolver um dos maiores mistérios da física.
“Observações de galáxias e do fundo cósmico de micro-ondas sugerem que algum tipo de matéria escura existe,” diz Baker.
“Se a nossa carga escura hipotetizada for verdadeira,” acrescenta Iguaz Juan, “então acreditamos que poderia haver uma população significativa de PBHs, o que estaria consistente com outras observações astrofísicas e explicaria toda a matéria escura que falta no universo.”
Uma Nova Janela para o Universo
“Observar o neutrino de alta energia foi um evento incrível,” conclui Baker. “Isso nos deu uma nova janela para o universo. Mas agora podemos estar à beira de verificar experimentalmente a radiação de Hawking, obtendo evidências tanto para os buracos negros primordiais quanto para novas partículas além do Modelo Padrão, e explicando o mistério da matéria escura.”
