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

Transcrição

1 Em Busca da Matéria Escura em laboratórios terrestres Rogério Rosenfeld Instituto de Física Teórica/UNESP Jornada de Física Teórica Julho 2008

2 ROTEIRO Revisão de evidências observacionais da existência da Matéria Escura no Universo Busca direta de Matéria Escura em laboratórios terrestres Busca indireta de Matéria Escura Produção e detecção de Matéria Escura

3 O que é Matéria Escura? Toda matéria que conhecemos ao nosso redor é feita de átomos. Existem evidências que apenas 4% do Universo é feito de átomos!!

4 O que é Matéria Escura? Deve portanto existir um novo tipo de matéria, que ainda não conhecemos. Esse novo tipo de matéria não deve interagir com a luz, caso contrário já teríamos visto. A essa matéria invisível é dada o nome Matéria Escura.

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

6 Como observar Matéria Escura? Apesar de ser invisível, a matéria escura produz efeitos gravitacionais devido a sua massa. São exatamente esses efeitos gravitacionais em grandes escalas no Universo que levam a evidências de sua existência (obs: assumindo que a teoria da gravitação esteja correta).

7 Evidências observacionais I. Dinâmica de aglomerados de galáxias Há muito mais massa em aglomerados do que podemos atribuir à matéria conhecida! (Zwicky, 1933) F. Zwicky

8 II. Curva de rotação de galáxias Vera Rubin

9 Curvas de rotação de galáxias galáxia nuvem de hidrogênio v 2 GmM ( r) m r r 2

10 Dentro da galáxia: M ( r) r v r Fora da galáxia: v M ( r) M v 1 r r g r

11 III. Lentes gravitacionais Luz distorcida pelo efeito gravitacional da matéria escura Contornos de densidade de matéria WMAP team

12 IV. Bullet Cluster Collision of two galaxies: dark matter lumps pass through Collision of two galaxies: gaseous matter stuck in between Clowe et al, 2006

13 V. Flutuações na radiação cósmica de fundo WMAP + estruturas em grandes escalas (Spergel et al. 2003/2006) Ω T = 1.02 ±0.02 Ω L = 0.73 ± 0.04 Ω m = 0.27 ± 0.04 Ω b = ± átomos X X c porcentagem da componente X X= matéria, radiação, constante cosmológica, WMAP A maior parte da matéria escura não é feita de átomos!

14 VI. Nucleossíntese de elementos leves atomos 0.04 Alpher morreu em 12/08/2007

15 ?

16 Robert Herman, George Gamow, and Ralph Alpher (left to right) with their bottle of YLEM, a fanciful 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 had prepared for a talk. When it appeared on the screen, Gamow, after a moment of shock, was very pleased. (Courtesy of Ralph Alpher.)

17 in absentia Teoria de abg: universo estático ignoram a radiação

18 1ª previsão da temperatura de radiação cósmica de fundo! Descoberta em 1965 por Penzias e Wilson (prêmio Nobel em 1978).

19 VII. Expansão acelerada do Universo Taxa de expansão do Universo é sensível à proporção entre matéria escura e energia escura.

20 VIII. Formação de estrutura no Universo A presença de matéria escura é fundamental para a formação de estrutura observada no Universo. Sloan Digital Sky Survey 300 mil galáxias!

21 Conclusão das observações: Modelo de concordância M 0.3, 0.7

22 Nosso Universo

23 Em Busca da Matéria Escura em Laboratórios Terrestres Freeman (1970): evidência de um halo escuro, esferoidal Estamos imersos em um mar de Matéria Escura!!

24 Propriedades do halo de nossa galáxia Partículas de matéria escura se movem no halo com uma velocidade média de 240 km/s. A densidade de energia devido a matéria escura na vizinhança do sistema solar é de 0.3 GeV/cm 3. Quantas partículas de matéria escura atravessam uma pessoa na Terra a cada segundo? Da ordem de 1 bilhão!!

25 Detecção direta Detectar as partículas de matéria escura presente no halo de nossa galáxia. Para que as partículas de matéria escura existam na quantidade observada elas devem ter uma interação fraca. Essa é a origem da denominação Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). Como detectar: colisão de WIMPs partícula com o detector.

26 IDÉIA BÁSICA Detecção direta de WIMPS WIMP do halo da galáxia Cristal de Ge, NaI, Si,... Núcleo com recuo (calor,luz,som)

27 WIMPS Edelweiss (1600 metros sob Frejus) 1 kg de Germânio

28 Vários experimentos ao redor do mundo

29 Mina Soudan, MN 20 mk

30 Os resultados são mostrados no plano prob. de interação WIMP-próton x massa do WIMP Sinal positivo! 100 kg NaI; dados de 1995 a 2002 Vento de WIMPs devido ao movimento da Terra em torno do Sol!

31 Detecção indireta Partículas de matéria escura devem ser estáveis e portanto não se desintegram. Elas devem estar presentes em maior concentração em lugares mais densos como no centro de nossa galáxia. Apesar de serem estáveis, elas podem se aniquilar quando 2 delas se encontram (da mesma forma que elétrons e pósitrons). Essa possibilidade de encontro é maior em regiões mais densas.

32 Detecção indireta Essa aniquilação gera muitas partículas energéticas, tipicamente fótons e neutrinos. Portanto, um sinal indireto dessas partículas de matéria escura seria a detecção de um excesso de fluxo de fótons ou neutrinos do centro de nossa galáxia. Experimentos de fótons e neutrinos podem detectar ou por limites para modelos de matéria escura e do halo da galáxia.

33 Detecção indireta n SuperK, IceCube, ANTARES n

34 An Astro-Particle Physics Partnership Exploring the High Energy Universe

35 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, 2008 Launch Time: 12:05:521 p.m. EDT Successful Launch for GLAST

36 Produção da Matéria Escura Produção de partículas de matéria escura no laboratório em grandes experimentos de colisões de protons. E = mc 2

37 Túnel do CERN LHC Circumference of ring ~ 27 km

38 ATLAS Experiment Diameter Barrel toroid length End-cap end-wall chamber span Overall weight 25 m 26 m 46 m 7000 Tons

39 CMS Experiment

40 Identificação da Matéria Escura no LHC Sinal de WIMPS: aparente violação da conservação de energia-momento

41 Surpresas podem acontecer

42 CONCLUSÕES

43 Natureza é sutil mas pode ser maliciosa também O LHC e os experimentos de detecção direta testam partículas em escalas de tempo muito diferentes: partículas com meia vida de segundos são estáveis no LHC; partículas com meia vida de bilhões de anos são estáveis para ser matéria escura. Pode ser que, caso o LHC encontre uma partícula estável, esta não seja matéria escura!

44 Natureza é sutil mas pode ser maliciosa também Outra possibilidade maliciosa é que a matéria escura tenha uma interação tão pequena com matéria normal que sua detecção direta seja impossível (gravitinos). Existem outros candidatos a matéria escura que interagem muito fracamente com a luz mas que podem ser detectados na Terra com outros tipos de experimento que estão em funcionamento (áxions).

45 Composição do Universo 4% A matéria escura ainda não foi detectada em laboratórios. Não sabemos do que é feita! Dezenas de experimentos para desvendar a natureza da ME