Como nascem as galáxias e o que as mantém unidas? Os astrônomos assumem que a matéria escura desempenha um papel essencial. No entanto, ainda não foi possível provar diretamente que a matéria escura existe. Uma equipe de pesquisa, incluindo cientistas da Universidade Técnica de Munique (TUM), mediu pela primeira vez a taxa de sobrevivência de núcleos de anti-hélio das profundezas da galáxia – um pré-requisito necessário para a busca indireta de matéria escura.

Muitas coisas apontam para a existência da matéria escura . A maneira como as galáxias se movem em aglomerados galácticos, ou a rapidez com que as estrelas circundam o centro de uma galáxia, resulta em cálculos que indicam que deve haver muito mais massa presente do que podemos ver. Aproximadamente 85 por cento da nossa Via Láctea, por exemplo, consiste em uma substância que não é visível e que só pode ser detectada com base em seus efeitos gravitacionais. Até hoje ainda não foi possível provar diretamente a existência desse material.

Vários modelos teóricos da matéria escura preveem que ela poderia ser composta de partículas que interagem fracamente umas com as outras. Isso produz núcleos de anti-hélio-3, que consistem em dois antiprótons e um antinêutron. Esses núcleos também são gerados em colisões de alta energia entre radiação cósmica e matéria comum como hidrogênio e hélio – porém, com energias diferentes daquelas que seriam esperadas na interação de partículas de matéria escura.

Em ambos os processos, as antipartículas se originam nas profundezas da galáxia, a várias dezenas de milhares de anos-luz de distância de nós. Após sua criação, uma parte deles segue em nossa direção. Quantas dessas partículas sobrevivem ilesas a essa jornada e chegam às proximidades da Terra como mensageiras de seu processo de formação determina a transparência da Via Láctea para os núcleos de anti-hélio.

Até agora, os cientistas só conseguiram estimar aproximadamente esse valor. No entanto, uma aproximação melhorada da transparência, uma unidade de medida para o número e as energias dos antinúcleos, será importante para interpretar futuras medições de anti-hélio.

Pesquisadores da colaboração ALICE já realizaram medições que lhes permitiram determinar a transparência com mais precisão pela primeira vez. ALICE significa A Large Ion Collider Experiment e é um dos maiores experimentos do mundo para explorar a física nas menores escalas de comprimento. ALICE faz parte do Large Hadron Collider (LHC) no CERN.

O LHC pode gerar grandes quantidades de antinúcleos leves, como o anti-hélio. Para fazer isso, prótons e átomos de chumbo são colocados em rota de colisão . As colisões produzem chuvas de partículas que são registradas pelo detector do experimento ALICE. Graças a vários subsistemas do detector, os pesquisadores podem então detectar os núcleos de anti-hélio-3 que se formaram e seguir seus rastros no material do detector.

Isso torna possível quantificar a probabilidade de um núcleo de anti-hélio-3 interagir com o material do detector e desaparecer. Cientistas da TUM e do Excellence Cluster ORIGINS contribuíram significativamente para a análise dos dados experimentais.

Usando simulações, os pesquisadores conseguiram transferir as descobertas do experimento ALICE para toda a galáxia. O resultado: cerca de metade dos núcleos de anti-hélio-3 que se esperava serem gerados na interação de partículas de matéria escura atingiriam a vizinhança da Terra. Nossa Via Láctea é, portanto, 50% permeável a esses antinúcleos.

Para antinúcleos gerados em colisões entre a radiação cósmica e o meio interestelar , a transparência resultante varia de 25 a 90% com o aumento do momento do anti-hélio-3. No entanto, esses antinúcleos podem ser distinguidos daqueles gerados a partir da matéria escura com base em sua maior energia.

Isso significa que os núcleos de anti-hélio podem não apenas percorrer longas distâncias na Via Láctea, mas também servir como importantes informantes em experimentos futuros: dependendo de quantos antinúcleos chegam à Terra e com quais energias, a origem desses mensageiros bem viajados pode ser interpretados como raios cósmicos ou matéria escura graças aos novos cálculos.

"Este é um excelente exemplo de análise interdisciplinar que ilustra como as medições em aceleradores de partículas podem estar diretamente ligadas ao estudo dos raios cósmicos no espaço", disse a cientista do ORIGINS, Prof. Laura Fabbietti, da Escola de Ciências Naturais da TUM.

Os resultados do experimento ALICE no LHC são de grande importância para a busca de antimatéria no espaço com o módulo AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) da Estação Espacial Internacional (ISS). A partir de 2025, o experimento do balão GAPS sobre o Ártico também examinará os raios cósmicos recebidos em busca de anti-hélio-3.

O trabalho está publicado na revista Nature Physics .