Desde a década de 1980, os pesquisadores realizam experimentos em busca departículas que compõem a matéria escura, uma substância invisível que permeia nossa gala¡xia 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 atravanãs de sua gravidade. Os cientistas sabem que existe, mas não sabem o que anã.

Então, os pesquisadores da Caltech, liderados por Kathryn Zurek , professora de física tea³rica, voltaram a  prancheta para pensar em novas idanãias. Eles estudaram a possibilidade de a matéria escura ser composta departículas do "setor oculto", mais leves que as propostas anteriormente, e poderiam, em teoria, ser encontradas usando pequenos dispositivos subterra¢neos de mesa. Por outro lado, os cientistas estãoprocurando candidatos mais pesados ​​de matéria escura chamados WIMPs (parta­culas massivas que interagem fracamente) usando experimentos em larga escala como o XENON, que éinstalado no subsolo de um tanque de 70.000 galaµes de águana Ita¡lia.

"A matéria escura estãosempre fluindo atravanãs de nós, mesmo nesta sala", diz Zurek, que propa´spartículas do setor oculto pela primeira vez hámais de uma década. "Amedida que avana§amos pelo centro da gala¡xia, 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 fa­sicos descrevem como aspartículas mais leves de matéria escura podem ser detectadas por meio de um tipo de quase-parta­cula conhecida como magnon. Uma quase parta­cula éum fena´meno emergente que ocorre quando um sãolido se comporta como se contenhapartículas que interagem fracamente. Os a­ma£s são um tipo de quase-parta­cula na qual os elanãtrons gerados - que agem como pequenos a­ma£s - são estimulados pela coletividade. Na idanãia dos pesquisadores para um experimento de mesa, um material cristalizado magnético seria usado para procurar sinais de magnons excitados gerados pela matéria escura.

"Se aspartículas de matéria escura são mais leves que o pra³ton, torna-se muito difa­cil detectar seu sinal por meios convencionais", diz o autor do estudo Zhengkang (Kevin) Zhang, pesquisador de pa³s-doutorado da Caltech. "Mas, de acordo com muitos modelos bem motivados, especialmente aqueles que envolvem setores ocultos, aspartículas de matéria escura podem acoplar-se aos giros dos elanãtrons, de modo que, uma vez atingidos o material, induzira£o excitações de spin, ou magnons. Se reduzirmos o rua­do de fundo, resfriando o equipamento e movendo-o para o subsolo, podera­amos esperar detectar magnons gerados apenas pela matéria escura e não pela matéria comum ".

Esse experimento éapenas tea³rico neste momento, mas pode eventualmente ocorrer usando pequenos dispositivos alojados no subsolo, provavelmente em uma mina, onde influaªncias externas de outraspartículas, como as dos raios ca³smicos, podem ser minimizadas.

Um sinal revelador de uma detecção de matéria escura nas experiências de mesa seriamudanças no sinal que dependem da hora do dia. Isso se deve ao fato de que os cristais magnanãticos que seriam usados ​​para detectar a matéria escura podem ser anisotra³picos, o que significa que os a¡tomos são dispostos naturalmente de tal maneira que tendem a interagir mais fortemente com a matéria escura quando a matéria escura chega. de certas direções.

"Amedida que a Terra se move atravanãs do halo da matéria escura gala¡ctica, ela sente o vento da matéria escura soprando na direção em que o planeta estãose 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, vocêpode ter uma taxa de detecção mais alta quando a matéria escura vem de cima do que do lado. Se vocêvisse isso, seria bastante espetacular e uma indicação muito forte de que vocêestava vendo matéria escura".

Os pesquisadores tem outras ideias sobre como a matéria escura pode se revelar, além dos magnons. Eles propuseram que aspartículas mais leves de matéria escura pudessem ser detectadas atravanãs de fa³tons, assim como com outro tipo de quase-parta­cula chamada fa´non, causada por vibrações em uma rede cristalina. Experimentos preliminares baseados em fa³tons e fa³tons estãoem 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 maºltiplas estratanãgias para procurar matéria escura écrucial 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.