A busca para confirmar a existência da misteriosa matéria escura acaba de ganhar uma arma poderosa, que foi implantada nas profundezas dos Alpes Franceses.

O detector altamente sensível — desenvolvido por uma colaboração internacional que inclui pesquisadores da Universidade Johns Hopkins — está possibilitando, pela primeira vez em décadas, expandir a busca por partículas elusivas que se acredita constituírem cerca de 85% do universo, mas que nunca foram observadas diretamente em um laboratório.

O avanço pode gerar a primeira evidência direta da matéria escura ou descartar amplas classes de teorias que ainda precisam ser testadas, disseram os pesquisadores.

"A matéria escura é um dos ingredientes mais importantes que moldam o nosso universo e também um dos maiores mistérios cosmológicos", disse a coautora Danielle Norcini , física experimental de partículas e professora assistente de física e astronomia na Universidade Johns Hopkins. "Nossas teorias predominantes sobre a natureza da matéria escura não estão produzindo resultados, mesmo após décadas de investigação. Precisamos ampliar nossa busca, e agora podemos."

Os novos dispositivos, que contam com tecnologia semelhante à dos microchips sensíveis à luz dos celulares com câmera, são projetados para detectar partículas de matéria escura que são muito mais leves do que aquelas que os detectores tradicionais têm procurado sem sucesso nas últimas décadas.

As descobertas foram publicadas na Physical Review Letters .

Os detectores de matéria escura são projetados para capturar os minúsculos choques de energia que podem resultar da colisão da matéria escura com átomos. Mas os detectores tradicionais há muito tempo dependem do uso de átomos mais pesados, como xenônio e argônio, em sua busca. Se uma partícula de matéria escura encontrasse o núcleo de um átomo e ambos tivessem aproximadamente o mesmo tamanho, a colisão poderia fazer o núcleo recuar — como uma bola de bilhar batendo na outra. Os detectores registram a energia do recuo como um potencial sinal de matéria escura.

Nas últimas quatro décadas, a maior parte das pesquisas sobre matéria escura se concentrou em encontrar essas partículas do tamanho de núcleos, chamadas partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs. No entanto, se partículas de matéria escura do tamanho de núcleos existissem, as colisões provavelmente já teriam sido observadas, disseram os pesquisadores.

Se as partículas se revelarem mais leves do que o previsto, elas não teriam sido detectadas, pois não teriam o peso necessário para atingir um núcleo inteiro. Em vez de duas bolas de bilhar, seria mais como uma bola de pingue-pongue atingindo uma bola de boliche. A nova tecnologia permite que os pesquisadores procurem por essas partículas mais leves e fracas — tornando-as, nas palavras de Norcini, "mais WIMP que os WIMPs".

Esses novos dispositivos, chamados CCDs de silício skipper, podem detectar sinais de elétrons individuais, partículas muito menores ligadas e orbitando um átomo. Essa conquista sem precedentes permite que os cientistas procurem matéria escura de tamanho semelhante ao de um elétron, em vez de um núcleo.

Como o novo detector é tão sensível, os experimentos devem ser conduzidos em ambientes cuidadosamente protegidos. Os pesquisadores operam os dispositivos no Laboratório Subterrâneo de Modane, a cerca de 2 quilômetros de profundidade nos Alpes Franceses, utilizando o ambiente e os materiais para reduzir os sinais de interferência: a rocha-mãe bloqueia os raios cósmicos, enquanto camadas de chumbo antigo, de baixa radioatividade, e cobre especial cultivado em laboratório circundam o experimento para minimizar a radiação de fundo.

"Tentar captar o sinal da matéria escura é como tentar ouvir alguém sussurrando em um estádio lotado. O sinal é tão fraco", disse Norcini. "Embora ainda não tenhamos descoberto a matéria escura, nossos resultados mostram que nosso detector funciona conforme o planejado, e estamos começando a mapear essa região inexplorada."

Em seguida, a equipe planeja ampliar a escala de oito CCDs skipper no protótipo de prova de conceito para um conjunto completo de 208 sensores. A área maior aumentará as chances de capturar uma interação. O experimento totalmente construído, chamado DAMIC-M, será o detector mais sensível do mundo na busca por esse tipo de matéria escura "mais WIMP".