Tecnologia Científica

Novas ideias na busca da matéria escura
Físicos propõem um novo experimento de mesa para detectar matéria escura
Por Whitney Clavin - 16/06/2020


Esta imagem composta do Telescópio Espacial Hubble mostra um "anel"
fantasmagórico de matéria escura em um aglomerado de
galáxias. Crédito: NASA, ESA, MJ Jee e H. Ford
(Universidade Johns Hopkins)

Desde a década de 1980, os pesquisadores realizam experimentos em busca de partículas que compõem a matéria escura, uma substância invisível que permeia nossa galáxia e universo. A matéria escura cunhada, por não emitir luz, mostrou que esta substância, que constitui mais de 80% da matéria em nosso universo, influencia repetidamente a matéria comum através de sua gravidade. Os cientistas sabem que existe, mas não sabem o que é.

Então, os pesquisadores da Caltech, liderados por Kathryn Zurek , professora de física teórica, voltaram à prancheta para pensar em novas idéias. Eles estudaram a possibilidade de a matéria escura ser composta de partículas do "setor oculto", mais leves que as propostas anteriormente, e poderiam, em teoria, ser encontradas usando pequenos dispositivos subterrâneos de mesa. Por outro lado, os cientistas estão procurando candidatos mais pesados ​​de matéria escura chamados WIMPs (partículas massivas que interagem fracamente) usando experimentos em larga escala como o XENON, que é instalado no subsolo de um tanque de 70.000 galões de água na Itália.

"A matéria escura está sempre fluindo através de nós, mesmo nesta sala", diz Zurek, que propôs partículas do setor oculto pela primeira vez há mais de uma década. "À medida que avançamos pelo centro da galáxia, esse vento constante de matéria escura passa despercebido. Mas ainda podemos tirar proveito dessa fonte de matéria escura e criar novas maneiras de procurar interações raras entre o vento da matéria escura e o vento. detector ".

Em um novo artigo aceito para publicação na revista Physical Review Letters , os físicos descrevem como as partículas mais leves de matéria escura podem ser detectadas por meio de um tipo de quase-partícula conhecida como magnon. Uma quase partícula é um fenômeno emergente que ocorre quando um sólido se comporta como se contenha partículas que interagem fracamente. Os ímãs são um tipo de quase-partícula na qual os elétrons gerados - que agem como pequenos ímãs - são estimulados pela coletividade. Na idéia dos pesquisadores para um experimento de mesa, um material cristalizado magnético seria usado para procurar sinais de magnons excitados gerados pela matéria escura.

"Se as partículas de matéria escura são mais leves que o próton, torna-se muito difícil detectar seu sinal por meios convencionais", diz o autor do estudo Zhengkang (Kevin) Zhang, pesquisador de pós-doutorado da Caltech. "Mas, de acordo com muitos modelos bem motivados, especialmente aqueles que envolvem setores ocultos, as partículas de matéria escura podem acoplar-se aos giros dos elétrons, de modo que, uma vez atingidos o material, induzirão excitações de spin, ou magnons. Se reduzirmos o ruído de fundo, resfriando o equipamento e movendo-o para o subsolo, poderíamos esperar detectar magnons gerados apenas pela matéria escura e não pela matéria comum ".

Esse experimento é apenas teórico neste momento, mas pode eventualmente ocorrer usando pequenos dispositivos alojados no subsolo, provavelmente em uma mina, onde influências externas de outras partículas, como as dos raios cósmicos, podem ser minimizadas.

Um sinal revelador de uma detecção de matéria escura nas experiências de mesa seria mudanças no sinal que dependem da hora do dia. Isso se deve ao fato de que os cristais magnéticos que seriam usados ​​para detectar a matéria escura podem ser anisotrópicos, o que significa que os átomos são dispostos naturalmente de tal maneira que tendem a interagir mais fortemente com a matéria escura quando a matéria escura chega. de certas direções.

"À medida que a Terra se move através do halo da matéria escura galáctica, ela sente o vento da matéria escura soprando na direção em que o planeta está se movendo. Um detector fixo em um determinado local da Terra gira com o planeta, então o vento da matéria escura o atinge de direções diferentes em diferentes momentos do dia, digamos, algumas vezes de cima, outras de lado ", diz Zhang. "Durante o dia, por exemplo, você pode ter uma taxa de detecção mais alta quando a matéria escura vem de cima do que do lado. Se você visse isso, seria bastante espetacular e uma indicação muito forte de que você estava vendo matéria escura".

Os pesquisadores têm outras ideias sobre como a matéria escura pode se revelar, além dos magnons. Eles propuseram que as partículas mais leves de matéria escura pudessem ser detectadas através de fótons, assim como com outro tipo de quase-partícula chamada fônon, causada por vibrações em uma rede cristalina. Experimentos preliminares baseados em fótons e fótons estão em andamento na UC Berkeley, onde a equipe estava baseada antes de Zurek ingressar na faculdade Caltech em 2019 . Os pesquisadores dizem que o uso dessas múltiplas estratégias para procurar matéria escura é crucial porque elas se complementam e ajudariam a confirmar os resultados uma da outra.

"Estamos procurando novas maneiras de procurar matéria escura porque, dado o pouco que sabemos sobre matéria escura, vale a pena considerar todas as possibilidades", diz Zhang.

O estudo, intitulado " Detectando matéria escura escura com magnetos ", foi financiado pelo Departamento de Energia (DOE) e pela National Science Foundation (NSF). Outro co-autor do estudo é Tanner Trickle, um estudante de graduação da UC Berkeley.

 

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