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Este projeto irá desenvolver novos modelos teóricos para a matéria escura (ME) com múltiplas espécies escuras, incluindo novas partículas/campos elementares e objetos compostos como buracos negros primordiais (BNPs)
A motivação desta proposta é tanto teórica quanto experimental. Em primeiro lugar, a misteriosa coincidência entre as densidades de ME e bariónica sugere que o setor escuro possua alguma complexidade, dado que os bariões exibem uma assimetria matéria/anti-matéria e que a sua massa resulta maioritariamente de efeitos não-perturbativos em QCD. Em segundo lugar, o grande número de candidatos a ME em extensões do Modelo Padrão (MP) da física de partículas sugere que pelo menos alguns deles possam contribuir de forma significativa para a abundância cósmica da ME. De uma perspetiva experimental, a falta de evidência para os candidatos a ME mais simples, os "WIMPs térmicos", em experiências de deteção direta, como a LUX ou a XENON, leva-nos a considerar formas alternativas de produção de ME através de processos não-térmicos, que tipicamente envolvem múltiplas espécies. Finalmente, as interações entre diferentes componentes da ME podem potenciar novas assinaturas astrofísicas multi- mensageiro e novas formas de detetar ME no laboratório, como a nossa equipa já demonstrou em diversos cenários.
Esta proposta está dividida em duas tarefas que serão executadas em paralelo dadas as potenciais sinergias entre elas.
A primeira tarefa sera dedicada a BNPs, como componente quer dominante quer sub-dominante da ME. Iremos investigar, por um lado, novos cenários para a formação de BNPs em modelos alternativos de inflação, nomeadamente inflação quente, térmica e com múltiplos períodos. Por outro lado, iremos estudar o impacto cosmológico da produção de partículas por BNPs, através da emissão de Hawking e da superradiância rotacional, na génese de partículas de ME (sub-)dominantes (como axiões, fotões escuros e também estrelas de bosões resultantes d  |
Resumo
Este projeto irá desenvolver novos modelos teóricos para a matéria escura (ME) com múltiplas espécies escuras, incluindo novas partículas/campos elementares e objetos compostos como buracos negros primordiais (BNPs)
A motivação desta proposta é tanto teórica quanto experimental. Em primeiro lugar, a misteriosa coincidência entre as densidades de ME e bariónica sugere que o setor escuro possua alguma complexidade, dado que os bariões exibem uma assimetria matéria/anti-matéria e que a sua massa resulta maioritariamente de efeitos não-perturbativos em QCD. Em segundo lugar, o grande número de candidatos a ME em extensões do Modelo Padrão (MP) da física de partículas sugere que pelo menos alguns deles possam contribuir de forma significativa para a abundância cósmica da ME. De uma perspetiva experimental, a falta de evidência para os candidatos a ME mais simples, os "WIMPs térmicos", em experiências de deteção direta, como a LUX ou a XENON, leva-nos a considerar formas alternativas de produção de ME através de processos não-térmicos, que tipicamente envolvem múltiplas espécies. Finalmente, as interações entre diferentes componentes da ME podem potenciar novas assinaturas astrofísicas multi- mensageiro e novas formas de detetar ME no laboratório, como a nossa equipa já demonstrou em diversos cenários.
Esta proposta está dividida em duas tarefas que serão executadas em paralelo dadas as potenciais sinergias entre elas.
A primeira tarefa sera dedicada a BNPs, como componente quer dominante quer sub-dominante da ME. Iremos investigar, por um lado, novos cenários para a formação de BNPs em modelos alternativos de inflação, nomeadamente inflação quente, térmica e com múltiplos períodos. Por outro lado, iremos estudar o impacto cosmológico da produção de partículas por BNPs, através da emissão de Hawking e da superradiância rotacional, na génese de partículas de ME (sub-)dominantes (como axiões, fotões escuros e também estrelas de bosões resultantes de instabilidades superradiantes), no reaquecimento do Universo após a inflação e também na geração da assimetria bariónica cosmológica.
Planeamos também avaliar o potencial de pequenos BNPs como laboratórios de nova física para além do MP, em particular no contexto do axiverso da teoria de cordas.
A segunda tarefa focar-se-á no estudo de setores escuros complexos com várias espécies de partículas e interações de gauge, nomeadamente aqueles que espelham (parcialmente) o MP. O IR desta proposta mostrou recentemente que setores semelhantes ao MP supersimétrico explicam naturalmente a coincidência entre as densidades de ME e bariónica, mesmo que as partículas no setor escuro sejam muito mais pesadas que as do MP, devido à quebra espontânea da supersimetria a uma escala mais elevada. Planeamos investigar a evolução cosmológica de setores escuros pesados, que pode diferir substancialmente do setor do MP desde a inflação até ao momento presente, e também a formação de estruturas de ME (incluindo objetos compactos escuros) e possíveis interações débeis entre as partículas do MP e as escuras, nomeadamente fotões e neutrinos escuros, possibilitando novas estratégias de deteção. Pretendemos também investigar os possíveis papéis de campos escalares escuros na história cósmica, em particular como durante a inflação, a transição de fase eletrofraca (p.ex, através de interações entre o bosão de Higgs e o seu homónimo escuro) e eras de matéria anteriores à época de radiação.
O nosso objetivo é não só explorar teoricamente estas novas facetas da complexidade escura, desde a sua descrição em teoria (quântica) de campos até à sua evolução cosmológica e fenomenologia, como também encontrar assinaturas astrofísicas distintas destes cenários em diferentes canais, incluindo radiação eletromagnética e gravitacional em todas as frequências detetáveis, neutrinos, raios cósmicos e efeito de micro-lente gravitacional (no caso de objetos compactos como os BNPs). Utilizaremos dados observacionais de telescópicos/detetores ativos e terminados (p.ex. James Webb Telescope, Chandra, Planck, Fermi-LAT, LHAASO, HAWC, LIGO-Virgo-KAGRA, IceCube, Pierre Auger Observatory) para testar os nossos modelos, e fazer previsões para experiências planeadas como o SKAO, AMEGO, LISA, Einstein Telescope e KM3Net. Desta forma, iremos tirar partido das novas oportunidades em astrofísica multi-mensageiro para testar as nossas abordagens inovadoras ao problema da ME.
Esta proposta junta uma equipa de investigadores seniors e junióres das universidades de Coimbra e Porto, conjuntamente com alguns dos seus colaboradores internacionais, com a especialidade multi-disciplinar em cosmologia, física de (astro-)partículas e gravitação necessária para atingir os objetivos propostos. Esta equipa tem colaborado de forma bem sucedida na execução do projeto "À procura do lado mais escuro da ME", cujos resultados abriram novas linhas de investigação que iremos explorar nesta inovadora e ambiciosa proposta. |