Por décadas, astrônomos e físicos vêm tentando resolver um dos mistérios mais profundos sobre o cosmos: estima-se que 85% de sua massa está faltando. Numerosas observações astronômicas indicam que a massa visível no universo não é suficiente para manter as galáxias juntas e explicar como a matéria se aglomera. Algum tipo de partícula subatômica invisível e desconhecida, chamada de matéria escura, deve fornecer a cola gravitacional extra.

Em laboratórios subterrâneos e em aceleradores de partículas , os cientistas procuram essa matéria escura sem sucesso há mais de 30 anos. Pesquisadores do NIST agora estão explorando novas maneiras de procurar as partículas invisíveis. Em um estudo, um protótipo para um experimento muito maior, os pesquisadores usaram detectores supercondutores de última geração para caçar matéria escura.

O estudo já colocou novos limites na massa possível de um tipo de matéria escura hipotética. Outra equipe do NIST propôs que os elétrons presos, comumente usados ??para medir propriedades de partículas comuns, também poderiam servir como detectores altamente sensíveis de partículas hipotéticas de matéria escura se carregassem carga.

No estudo do detector supercondutor, os cientistas do NIST Jeff Chiles e Sae Woo Nam e seus colaboradores usaram nanofios supercondutores de siliceto de tungstênio com apenas um milésimo da largura de um fio de cabelo humano como detectores de matéria escura.

"Supercondutor" refere-se a uma propriedade que alguns materiais, como o siliceto de tungstênio, têm em temperaturas ultrabaixas: resistência zero ao fluxo de corrente elétrica. Sistemas de tais fios, formalmente conhecidos como detectores de fóton único de nanofios supercondutores (SNSPDs), são extremamente sensíveis a quantidades extremamente pequenas de energia transmitida por fótons (partículas de luz) e talvez partículas de matéria escura quando colidem com os detectores.

Os pesquisadores operam SNSPDs a uma temperatura logo abaixo do limite necessário para que os nanofios se tornem supercondutores. Dessa forma, mesmo uma pequena quantidade de energia depositada por uma partícula incidente produzirá calor suficiente para desenvolver resistência elétrica no fio.

Com o fluxo de corrente através do nanofio agora obstruído, a corrente percorre um segundo caminho conectado a um amplificador elétrico. A corrente gera uma voltagem breve, mas mensurável – um sinal de que parte do nanofio aqueceu ao interagir com um fóton ou, talvez, uma partícula de matéria escura.

O experimento SNSPD consistia em uma pequena matriz quadrada de nanofios, cada um com 140 nanômetros (nm, ou bilionésimos de metro) de diâmetro e espaçados em 200 nm, confinados em uma caixa à prova de luz. Os pesquisadores adicionaram uma pilha de dois tipos de materiais isolantes, projetados para tornar mais provável que o sistema pudesse procurar por um tipo de partícula hipotética de matéria escura conhecida como fóton escuro.

De acordo com previsões teóricas, um fóton escuro colidindo com a pilha provavelmente se aniquilaria e geraria um fóton infravermelho comum em seu lugar. Uma lente focaria o fóton no circuito SNSPD, onde poderia interagir com os nanofios e ser detectado como um sinal de tensão.

O pequeno experimento de 180 horas de duração não encontrou evidências de fótons escuros na faixa de baixa massa de 0,7 a 0,8 elétron-volts /c 2 (eV/c 2) , menos de meio milionésimo da massa do elétron, o mais leve partícula estável conhecida. (Como as massas das partículas subatômicas são muito pequenas para serem convenientemente expressas em termos de uma fração de quilograma, os físicos usam a definição de massa em E=mc 2 de Einstein . )

Embora o experimento tenha que ser realizado em uma escala maior com muito mais detectores para fornecer um conjunto de dados expandido, ainda é a busca mais sensível por fótons escuros realizada até o momento nessa faixa de massa, disse Nam. Os pesquisadores, incluindo colaboradores do Massachusetts Institute of Technology, Stanford University, University of Washington, New York University e Flatiron Institute, relataram seus resultados em um artigo na Physical Review Letters .

Em um segundo relatório, alguns dos mesmos pesquisadores do NIST e seus colaboradores analisaram os dados do primeiro estudo de maneira diferente. Os cientistas ignoraram os efeitos potenciais da pilha de material isolante e se concentraram apenas em saber se algum tipo de partícula de matéria escura seria capaz de interagir com elétrons individuais no próprio detector de nanofios – espalhando um elétron ou sendo absorvido por ele.

Embora pequeno, este estudo colocou os limites mais fortes de qualquer experimento até o momento - excluindo pesquisas astrofísicas e estudos do sol - na força das interações entre elétrons e matéria escura na faixa de massa sub-milhão-eV. Isso torna provável que uma versão ampliada da configuração do SNSPD possa dar uma contribuição significativa para a busca por matéria escura, disse Chiles.

Ele e seus colegas da Universidade Hebraica de Jerusalém, da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, do Instituto de Física de Partículas de Santa Cruz da Universidade da Califórnia; e o MIT relatou esta análise em um artigo na edição de 8 de dezembro da Physical Review D .

Em um terceiro estudo, um físico do NIST e seus colegas propuseram que elétrons individuais, confinados eletromagneticamente a uma pequena região do espaço, poderiam ser detectores sensíveis de partículas carregadas de matéria escura. Por mais de três décadas, os cientistas usaram uma população muito mais pesada de íons de berílio carregados positivamente para sondar as propriedades elétricas e magnéticas de partículas carregadas comuns (não escuras).

Os elétrons, no entanto, seriam detectores ideais para detectar partículas de matéria escura se essas partículas tivessem a menor carga elétrica. Isso ocorre porque os elétrons têm a massa mais baixa de qualquer partícula carregada conhecida e, portanto, são facilmente empurrados ou puxados pelo mero distúrbio elétrico, como uma partícula com uma pequena carga elétrica passando por perto.

Apenas alguns elétrons aprisionados seriam necessários para detectar partículas de matéria escura carregadas com apenas um centésimo da carga de um elétron, disse o físico do NIST Jake Taylor, membro do Joint Quantum Institute e do Joint Center for Quantum Information and Computer Science, parcerias de pesquisa entre o NIST e a Universidade de Maryland.

Os elétrons capturados eletromagneticamente seriam resfriados a uma fração de grau acima do zero absoluto para limitar a instabilidade inerente da partícula. Taylor, junto com Daniel Carney do Lawrence Berkeley National Laboratory na Califórnia, Hartmut Haffner da University of California, Berkeley, e David C. Moore da Yale University, descreveram seu experimento proposto em uma Physical Review Letters .

Ao configurar a armadilha para que a força do confinamento do elétron seja diferente ao longo de cada dimensão – comprimento, largura e altura – a armadilha também poderia fornecer informações sobre a direção de onde a partícula de matéria escura chegou.

No entanto, os cientistas devem enfrentar um desafio tecnológico antes de poderem empregar o aprisionamento de elétrons para procurar matéria escura. Os fótons são usados ??para resfriar, manipular e sentir o movimento de íons e elétrons presos. Para os íons de berílio, esses fótons – gerados por um laser – caem no alcance da luz visível.

A tecnologia que permite que os fótons de luz visível manipulem os íons de berílio aprisionados está bem estabelecida. Em contraste, os fótons necessários para detectar o movimento de elétrons individuais têm energias de micro-ondas, e a tecnologia de detecção necessária ainda precisa ser aperfeiçoada. No entanto, se o interesse no projeto for forte o suficiente, os cientistas podem desenvolver uma armadilha de elétrons capaz de detectar a matéria escura em menos de cinco anos, estimou Carney.

Em outro estudo, um pesquisador do NIST e um grupo internacional de colegas estão olhando além da Terra para caçar matéria escura. Uma equipe que inclui Marianna Safronova, da Universidade de Delaware e do Joint Quantum Institute, propôs que uma nova geração de relógios atômicos, instalados em uma espaçonave que voaria mais perto do sol do que a órbita de Mercúrio, poderia procurar sinais de matéria escura ultraleve.

Esse tipo hipotético de matéria escura, ligada a um halo ao redor do sol, causaria pequenas variações nas constantes fundamentais da natureza, incluindo a massa do elétron e a constante de estrutura fina.

Mudanças nessas constantes alterariam a frequência com que os relógios atômicos vibram — a taxa com que eles "tiquetaqueiam". Entre a grande variedade de relógios atômicos, os pesquisadores escolheriam cuidadosamente dois que tivessem diferentes sensibilidades às mudanças nas constantes fundamentais impulsionadas pela matéria escura ultraleve. Ao medir a proporção das duas frequências variáveis, os cientistas poderiam revelar a presença da matéria escura , calcularam os pesquisadores.

Eles descrevem sua análise em um artigo publicado online na Nature Astronomy .