Cientistas recorrem ao campo magnético da Terra na busca por candidatos elusivos à matéria escura

Pesquisadores estão recorrendo ao próprio campo geomagnético da Terra como um vasto detector natural para buscar matéria escura, concentrando-se em duas das principais partículas candidatas teóricas conhecidas como áxions ultraleves e fótons escuros, de acordo com reportagem do phys.org.

Apesar de décadas de observações astronômicas confirmarem que a matéria escura constitui cerca de um quarto do conteúdo total de energia do universo, a identidade fundamental dessas entidades invisíveis permanece desconhecida. Experimentos laboratoriais tradicionais passaram anos tentando criar ou detectar partículas candidatas usando equipamentos terrestres, mas os pesquisadores estão recorrendo cada vez mais a fenômenos em escala planetária para expandir o espaço de parâmetros de busca.

## Reaproveitando campos magnéticos planetários

A nova abordagem baseia-se no princípio de que determinados candidatos teóricos à matéria escura podem interagir com campos eletromagnéticos, conforme relatado pelo phys.org. Ao passar por um campo magnético intenso, prevê-se que partículas como áxions ultraleves ou fótons escuros se convertam em fótons ordinários, criando sinais eletromagnéticos minúsculos e detectáveis.

Ao utilizar o campo magnético global da Terra — uma magnetosfera que se estende por milhares de quilômetros no espaço —, os físicos podem efetivamente transformar todo o planeta em um detector gigante de partículas. Em vez de depender exclusivamente de campos magnéticos artificiais gerados por ímãs supercondutores de laboratório, que são inerentemente limitados em escala física, os pesquisadores podem analisar oscilações sutis em dados de campos elétricos e magnéticos planetários. Essa estratégia permite que os cientistas explorem faixas de massa e forças de acoplamento que antes eram inalcançáveis com equipamentos de laboratório terrestres.

## O quebra-cabeça da matéria escura

A identidade da matéria escura representa um dos problemas não resolvidos mais proeminentes da física e cosmologia modernas. Observações das velocidades de rotação galáctica, lentes gravitacionais ao redor de aglomerados de galáxias e a radiação cósmica de fundo em micro-ondas indicam que a matéria visível — átomos que compõem estrelas, planetas e organismos vivos — responde por apenas cerca de cinco por cento do orçamento total de energia do universo.

A matéria escura constitui aproximadamente 27 por cento, enquanto a energia escura preenche o restante. Como a matéria escura não absorve, reflete ou emite luz, sua presença é inferida inteiramente por meio de sua atração gravitacional sobre estruturas visíveis em todo o cosmos. Durante décadas, o principal candidato teórico para a matéria escura foi a Partícula Massiva que Interage Fracamente, ou WIMP. No entanto, como colisores de partículas de alta energia e detectores subterrâneos profundos falharam continuamente em observar WIMPs, a atenção da comunidade da física mudou significativamente para candidatos alternativos, incluindo partículas extremamente leves de natureza ondulatória.

## Candidatos sob o microscópio

Entre esses candidatos alternativos, áxions ultraleves e fótons escuros surgiram como principais objetos de investigação. Os áxions foram originalmente postulados no final da década de 1970 para resolver um dilema teórico na cromodinâmica quântica conhecido como o problema CP forte, que diz respeito ao motivo pelo qual as forças nucleares fortes parecem respeitar a simetria de carga-paridade. Físicos teóricos perceberam mais tarde que, se os áxions existirem, eles teriam sido produzidos em grandes quantidades durante o início do universo, tornando-os um forte candidato a matéria escura.

Os fótons escuros, por outro lado, são partículas hipotéticas carregadoras de força associadas a um setor oculto proposto da física. Enquanto os fótons padrão meiam a força eletromagnética para a matéria normal, os fótons escuros interagiriam principalmente com outras partículas do setor escuro, ao mesmo tempo em que se misturariam fracamente com fótons padrão sob condições específicas. Tanto os áxions ultraleves quanto os fótons escuros agem mais como ondas clássicas coerentes do que como partículas individuais distintas devido às suas massas excepcionalmente baixas, levando a assinaturas ondulatórias distintas ao interagir com campos magnéticos planetários.

## Vantagens da detecção em escala planetária

A principal vantagem de usar o campo geomagnético como meio experimental reside em seu volume massivo. Em experimentos de física de partículas que buscam conversões de campo, a intensidade do sinal geralmente escala com a força do campo magnético multiplicada pelo volume da região sobre a qual esse campo se estende.

Embora detectores de laboratório feitos pelo homem, como haloscópios e helioscópios, possam gerar campos magnéticos extremamente fortes, esses campos estão limitados a volumes de poucos metros cúbicos ou menos. Por outro lado, embora o campo magnético da Terra seja relativamente fraco na superfície — variando de cerca de 25 a 65 microteslas —, ele abrange uma extensão espacial de dezenas de milhares de quilômetros. Esse volume imenso compensa a menor intensidade do campo, proporcionando uma sensibilidade excepcional a campos de matéria escura ultraleve e de baixa frequência.

Para buscar esses sinais potenciais, os pesquisadores podem aproveitar redes existentes de magnetômetros terrestres, observações de satélite e estações especializadas de monitoramento de radiofrequência. Ao analisar correlações cruzadas em dados coletados em várias localizações geográficas, os cientistas podem buscar oscilações eletromagnéticas globais e coerentes que significariam a conversão de partículas de matéria escura passando pela magnetosfera da Terra.

## Implicações para a física fundamental

A detecção de áxions ou fótons escuros por meio de observações geomagnéticas representaria um grande avanço na ciência fundamental. Identificar a composição da matéria escura não apenas resolveria uma questão cosmológica central, mas também forneceria a primeira evidência direta de física além do Modelo Padrão, o arcabouço predominante que descreve partículas e forças fundamentais.

Mesmo que as buscas geomagnéticas atuais não resultem imediatamente em uma descoberta direta, a metodologia oferece um valor crucial ao impor novos limites rigorosos à massa potencial e à força de interação dos candidatos a matéria escura. Estabelecer limites mais rígidos ajuda os físicos teóricos a refinar seus modelos e permite que os experimentalistas afunilem onde a tecnologia futura de detectores deve ser focada.

## O que vem a seguir

À medida que os métodos de aquisição de dados e os algoritmos de processamento de sinais continuam a melhorar, os pesquisadores planejam analisar conjuntos de dados mais amplos provenientes tanto de observatórios geomagnéticos terrestres quanto de satélites no espaço. Espera-se que colaborações interdisciplinares combinando conhecimentos de física de partículas, geofísica e astronomia observacional desempenhem um papel central no refinamento dessas técnicas analíticas.

Trabalhos futuros envolverão a filtragem de ruídos de fundo causados por interações do vento solar, correntes ionosféricas e interferências eletromagnéticas de origem humana, garantindo que qualquer sinal detectado possa ser definitivamente vinculado a conversões de matéria escura, e não a fenômenos geofísicos locais.

Este artigo foi elaborado com base em reportagem publicada pelo phys.org.