O estudo da matéria escura, um componente muito pouco conhecido do Universo, é uma pesquisa de ponta na área da Física. Embora vários experimentos em todo o mundo tentem detectá-la, sua existência ainda é sustentada apenas por evidências teóricas. Para criar uma nova forma de identificar a matéria escura, pesquisadores de uma colaboração internacional, com participação brasileira, propõem o uso inusitado de cristais de açúcar, que aumentariam a precisão na procura por essas partículas em laboratório.

Apesar de ser um conhecimento básico, descobrir os segredos da matéria escura aprofunda o conhecimento sobre a formação e a estrutura do Universo. Também é o ponto de partida para desenvolver novos materiais e aplicações em computação, instrumentos de medição e sensores. As conclusões da pesquisa são apresentadas em artigo publicado na revista cientifica IEEE Transactions on Applied Superconductivity.

“A pesquisa em matéria escura funciona como a Fórmula 1 da ciência”, afirma ao Jornal da USP o professor Pedro Guillaumon, do Instituto de Física (IF) da USP, um dos pesquisadores que assinam o artigo. “Tecnologias levadas hoje ao limite, como na F1, tornam-se amanhã soluções presentes em carros comuns e em aplicações industriais, ambientais e de sensoriamento, com efeitos concretos no cotidiano.”

“O objetivo da pesquisa é desenvolver novas tecnologias capazes de detectar matéria escura diretamente em laboratório”, relata o professor. “Em particular, buscamos explorar materiais inovadores, como cristais de açúcar, para ampliar a sensibilidade dos detectores a partículas de baixa massa, que ainda permanecem fora do alcance da maioria dos experimentos atuais.”

Segundo Guillaumon, a matéria escura é um tipo de matéria que não emite, absorve ou reflete luz, e por isso é mais difícil de ser observada diretamente. “Sua existência é inferida a partir de efeitos gravitacionais sobre galáxias e estruturas em larga escala no Universo”, explica. “Hoje sabemos que ela corresponde a cerca de 26% do conteúdo total de energia do Universo, mas sua natureza fundamental ainda é desconhecida.”

“Do ponto de vista teórico, existem diversas hipóteses: ela pode ser composta de novas partículas elementares”, relata o pesquisador. “Até o momento, nenhuma dessas partículas foi detectada experimentalmente. Em resumo, sabemos que a matéria escura existe, mas ainda não sabemos do que ela é feita.”

O professor aponta que atualmente existem diversos experimentos relacionados à detecção de matéria escura em operação no mundo. “A estratégia mais direta consiste em tentar observar a interação entre uma partícula de matéria escura e um detector na Terra”, observa. “A ideia é que, como o planeta está imerso em um ‘halo’ de matéria escura, essas partículas devem atravessar continuamente os detectores.”

“O desafio é que essas interações são extremamente raras e depositam quantidades muito pequenas de energia”, ressalta Guillaumon. “Por isso, os experimentos usam detectores ultrassensíveis, operação em temperaturas criogênicas, muitas vezes próximas do zero absoluto, equivalente a -273ºC, e laboratórios subterrâneos, para reduzir o ruído de radiação de fundo.”

Alguns experimentos incluem detectores com argônio líquido, como o DarkSide experiment, e calorímetros criogênicos operando a temperaturas de milikelvin (mK) com sensores quânticos, como o CRESST experiment, sigla em inglês para Busca de Eventos Raros Criogênicos com Termômetros Supercondutores, ambos instalados no Laboratório Nacional de Gran Sasso, situado na Itália. “Pesquisadores da USP participam ativamente de ambas as colaborações”, destaca o pesquisador. “Nenhuma encontrou uma evidência conclusiva da matéria escura, mas elas vêm demarcando de forma cada vez mais precisa suas possíveis propriedades.”

De acordo com o professor do IF, os cristais de açúcar apresentam propriedades particularmente interessantes para a busca de matéria escura. “A primeira é o alto conteúdo de hidrogênio, são átomos leves, ideais para detectar partículas de matéria escura de baixa massa, pois permitem uma transferência de energia mais eficiente nessas interações”, diz. “Também possuem a capacidade de operar em baixíssimas temperaturas, podendo ser usados como detectores altamente sensíveis a pequenas deposições de energia”, acrescenta.

“Os cristais podem produzir tanto sinais térmicos quanto luz (cintilação)”, coloca Guillaumon. “A razão entre esses dois sinais depende do tipo de interação, o que permite discriminar diferentes tipos de partículas e reduzir ruídos de fundo.”

Os cristais são resfriados a temperaturas da ordem de milikelvin (mK) e acoplados a sensores extremamente sensíveis, como termômetros supercondutores. Uma temperatura de 15 milikelvin equivale a -273°C,175ºC. “Quando uma partícula interage com o cristal, ela deposita uma quantidade muito pequena de energia. Essa energia se manifesta como um pulso térmico, associado às vibrações da rede cristalina, e, eventualmente, em uma emissão de luz”, descreve o pesquisador. “Esses sinais são medidos com alta precisão e analisados para identificar eventos compatíveis com possíveis interações de matéria escura.”

Na prática, o cristal funciona como um detector de eventos raros, no qual cada interação registrada pode corresponder a um processo físico de interesse, salienta o professor. “Essa linha de pesquisa ainda está em desenvolvimento, e há questões importantes em aberto, como o desempenho em limiar de energia (threshold) e os métodos de calibração”, observa. “Caso os parâmetros se mostrem adequados, esses cristais poderão ser produzidos em escala e incorporados a futuras fases experimentais.”

Guillaumon enfatiza que a pesquisa em matéria escura tem impacto em diversas áreas. “Na física fundamental, contribui para o entendimento da composição do Universo, da física de partículas elementares e de possíveis extensões do modelo padrão. Na cosmologia, é essencial para explicar a formação de galáxias e a evolução das estruturas em larga escala no Universo”, afirma. “Em tecnologia de sensores, o desenvolvimento de detectores ultrassensíveis tem aplicações em computação quântica, metrologia de precisão e sensores industriais e ambientais. Por fim, na ciência de materiais, o estudo de cristais em condições extremas permite avançar no conhecimento das propriedades físicas da matéria.”

“Na primeira fase da pesquisa, usamos semicondutores, conhecidos como Neutron Transmutation Doping (NTD). Apesar de serem menos precisos, eles permitiram validar esses cristais. Na próxima etapa, a ideia é tentar com os mesmos sensores supercondutores usados no CRESST”, relata o pesquisador. “Este é um estágio inicial do trabalho, ainda há muito a ser feito para determinar e otimizar a performance desses detectores para confirmar se podem ser usados para a matéria escura.”