Colaboração analisou colisões em que o bóson de Higgs poderia ter decaído em um fóton e um hipotético fóton escuro, que seria o mediador entre as partículas da matéria escura

Nós não conseguimos enxergá-la, nós não sabemos do que ela é feita, mas nós sabemos que ela existe e que é cerca de cinco a seis vezes mais comum do que a matéria convencional. Estamos falando da matéria escura.

Quando medimos a velocidade com que certas estrelas giram em torno do centro de suas galáxias, vemos que o valor real é maior do que o previsto pelas teorias que levam em conta apenas a quantidade de matéria que conseguimos ver. Como essa velocidade está relacionada à força gravitacional, que por sua vez está relacionada à quantidade de matéria presente no sistema, a explicação para o fenômeno é que há uma quantidade maior de matéria em algumas regiões do Universo do que imaginávamos – um tipo de matéria que não conseguimos ver, a matéria escura.

Entretanto, a matéria escura, até onde sabemos, parece não interagir com a matéria que conhecemos através da força eletromagnética. Aliás, esse é o motivo por que a chamamos de “escura”: a luz é um efeito eletromagnético, e esse novo tipo de matéria não interfere com a luz de nenhuma maneira. Por isso não conseguimos observá-la diretamente, apenas inferimos sua existência pelos efeitos gravitacionais que conseguimos medir.

Algumas teorias propõem que a matéria escura é composta por partículas escuras que interagem umas com as outras através de um mediador chamado fóton escuro, em analogia ao fóton tradicional que atua como mediador da força eletromagnética. O fóton escuro também interagiria de forma bastante fraca com outras partículas conhecidas do Modelo Padrão, incluindo o bóson de Higgs.

A colaboração CMS do Large Hadron Collider (LHC) apresentou seus resultados mais recentes da busca pelo fóton escuro na conferência Large Hadron Collider Physics (LHCP), realizada entre os dias 20 e 25 de maio em Puebla, no México.

Os pesquisadores utilizaram um grande conjunto de dados de colisões próton-próton para procurar eventos nos quais o bóson de Higgs decaia em um fóton e um fóton escuro, ambos sem massa. Eles se concentraram em casos em que o bóson de Higgs era produzido em conjunto com um bóson Z que decaia em elétrons ou em seus primos mais pesados, conhecidos como múons.

Em teoria esses eventos são extremamente raros e para encontrá-los os pesquisadores precisam inferir a presença da partícula que poderia ser um fóton escuro, já que ele não seria visto pelos detectores. Para isso os pesquisadores buscam diferenças entre a energia inicial e final dos eventos, que devem ser sempre iguais. Quando a energia final é menor, sabemos que uma partícula passou pelo experimento sem ser detectada.

Encontrar um evento em que a energia final seja menor do que a inicial, porém, não significa encontrar o fóton escuro: há outras partículas já conhecidas que podem passar despercebidas pelos detectores, como, por exemplo, os neutrinos. Para saber se a energia faltante é relativa a um fóton escuro ou a uma partícula conhecida, é preciso estimar a massa da párticula que decaiu no fóton e na partícula não detectada. Se um fóton escuro houvesse realmente sido produzido da maneira proposta, a massa estimada seria correspondente à massa do próprio bóson de Higgs.

Infelizmente, a colaboração CMS não encontrou sinais de fótons escuros nos dados analisados, mas conseguiu estabelecer limites superiores nos novos parâmetros relacionados às probabilidades de um sinal como esse ser observado. Pesquisas como essa, embora não encontrem novas partículas, são importantes para guiar trabalhos futuros, tanto teóricos como experimentais.

Para saber mais sobre esse estudo, acesse o site do CMS.