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A natureza da matéria escura é uma das mais importantes questões em aberto na cosmologia e física de partículas modernas. Embora partículas que interagem fracamente, conhecidas como "WIMPs", tenham sido o foco de investigação teórica e experimental nesta área nas últimas décadas, nenhuma destas partículas foi ainda detectada em laboratório.
Na ausência de sinais de novas partículas no Large Hadron Collider, as atenções da comunidade científica têm vindo a dirigir-se para outros candidatos a matéria escura com interacções muito mais débeis. Neste projecto, iremos explorar alguns dos mais "escuros" candidatos a matéria escura, motivados pela (i) falta de evidência empírica de natureza não-gravitacional para a matéria escura e (ii) a intrigante semelhança entre as abundâncias cósmicas da matéria escura e visível. Temos dois grandes objectivos. Por um lado, queremos demonstrar que a enorme densidade de matéria escura em alguns sistemas astrofísicos pode compensar a debilidade das suas interacções, possibilitando assinaturas observacionais inovadoras. Em segundo lugar, pretendemos relacionar os mecanismos necessariamente não-térmicos de produção de matéria escura com outros problemas em aberto, nomeadamente a inflação e a bariogénese (algo difícil, se de todo possível, em modelos térmicos de WIMPs), e propôr novos testes observacionais deste tipo de cenários unificados.
Para alcançar estes objectivos, elegemos duas áreas de investigação promissoras que definem as duas tarefas do projecto: Tarefa 1: Buracos negros primordiais Buracos negros formados nos primórdios do Universo são candidatos naturais a matéria escura, e as suas propriedades podem dar informação crucial sobre as condições do Universo primitivo, mesmo se explicarem apenas uma pequena fracção da matéria escura. Estes buracos negros primordiais (PBHs) podem explicar o baixo spin dos buracos negros recentemente detectados através de ondas gravitacionais [1] ou até mesmo alguns  |
Resumo
A natureza da matéria escura é uma das mais importantes questões em aberto na cosmologia e física de partículas modernas. Embora partículas que interagem fracamente, conhecidas como "WIMPs", tenham sido o foco de investigação teórica e experimental nesta área nas últimas décadas, nenhuma destas partículas foi ainda detectada em laboratório.
Na ausência de sinais de novas partículas no Large Hadron Collider, as atenções da comunidade científica têm vindo a dirigir-se para outros candidatos a matéria escura com interacções muito mais débeis. Neste projecto, iremos explorar alguns dos mais "escuros" candidatos a matéria escura, motivados pela (i) falta de evidência empírica de natureza não-gravitacional para a matéria escura e (ii) a intrigante semelhança entre as abundâncias cósmicas da matéria escura e visível. Temos dois grandes objectivos. Por um lado, queremos demonstrar que a enorme densidade de matéria escura em alguns sistemas astrofísicos pode compensar a debilidade das suas interacções, possibilitando assinaturas observacionais inovadoras. Em segundo lugar, pretendemos relacionar os mecanismos necessariamente não-térmicos de produção de matéria escura com outros problemas em aberto, nomeadamente a inflação e a bariogénese (algo difícil, se de todo possível, em modelos térmicos de WIMPs), e propôr novos testes observacionais deste tipo de cenários unificados.
Para alcançar estes objectivos, elegemos duas áreas de investigação promissoras que definem as duas tarefas do projecto: Tarefa 1: Buracos negros primordiais Buracos negros formados nos primórdios do Universo são candidatos naturais a matéria escura, e as suas propriedades podem dar informação crucial sobre as condições do Universo primitivo, mesmo se explicarem apenas uma pequena fracção da matéria escura. Estes buracos negros primordiais (PBHs) podem explicar o baixo spin dos buracos negros recentemente detectados através de ondas gravitacionais [1] ou até mesmo alguns eventos de microlente gravitacional recentemente detectados [2,3]. Planeamos (a) explorar novos mecanismos para a produção de PBHs no contexto de modelos inflacionários alternativos (como inflação quente [4,5] e térmica [6]); (b) estudar a sua evolução dinâmica (com ênfase na evaporação e superradiância); e (c) procurar novas assinaturas com ondas electromagnéticas e gravitacionais [7]. Uma hipótese ainda por explorar é a de (d) pequenos buracos negros terem sido os progenitores da matéria escura, nomeadamente através da sua evaporação [8]. Iremos procurar potenciais assinaturas cosmológicas destes processos e investigar se estes podem explicar a semelhança entre as abundâncias da matéria escura e visível. Tarefa 2: Axiões e outros campos escalares cosmológicos Os campos escalares massivos são previsões comuns de muitas extensões do Modelo Padrão da física de partículas e comportam-se naturalmente como matéria escura fria enquanto oscilam em torno do mínimo do seu potencial, tipicamente interagindo de forma débil com as partículas conhecidas. O axião, em particular, está entre os mais promissores candidatos a matéria escura, sendo previsto pela solução de Peccei-Quinn para o problema-CP da interacção forte.
Planeamos, por um lado, (a) desenvolver novos cenários que resolvam os problemas dos modelos teóricos de axiões, como as grandes perturbações de isocurvatura, defeitos topológicos ou o "problema da qualidade do axião" [9,10]. Por outro lado, (b) iremos investigar novas assinaturas astrofísicas de axiões e partículas semelhantes (ALPs), focando-nos na superradiância de buracos negros (em sintonia com |