Novo experimento ambicioso de caça à matéria escura oferece os primeiros resultados

“”Se você pensar nisso como um rádio, a busca por matéria escura é como sintonizar o dial para procurar uma estação de rádio específica. Nosso método é como fazer uma varredura de 100.000 estações de rádio.”” 

Um diagrama do experimento BREAD contra uma simulação de matéria escura. (Crédito da imagem: Colaboração BREAD /Ralf Kaehler/SLAC National Accelerator Laboratory) 

Uma nova experiência concebida para procurar no cosmos a sua “coisa? mais misteriosa, a matéria escura, apresentou os seus primeiros resultados.

Embora o Experimento Refletor de Banda Larga para Detecção de Axiões (BREAD), desenvolvido pela Universidade de Chicago e pelo Fermilab do Departamento de Energia dos EUA, ainda não tenha detectado partículas de matéria escura, os novos resultados impõem uma restrição mais rígida ao tipo de características que os cientistas podem esperar que tais partículas tenham.

A própria experiência BREAD também apresentou uma nova e excitante receita que poderia ser usada na caça à matéria escura – uma receita relativamente barata que não ocupa muito espaço.

O BREAD adota uma abordagem de “banda larga? para procurar partículas hipotéticas de matéria escura chamadas “áxions? e “fótons escuros? associados em um conjunto maior de possibilidades do que outros experimentos, embora com um pouco menos precisão.

“Se você pensar nisso como um rádio, a busca por matéria escura é como sintonizar o dial para procurar uma estação de rádio específica, exceto que há um milhão de frequências para verificar”, disse David, cientista da Universidade de Chicago e co-líder do projeto BREAD.

Miller disse em um comunicado.

“Nosso método é como fazer uma varredura de 100 mil estações de rádio, em vez de algumas minuciosamente.” Uma pequena experiência para resolver um grande problema: a matéria escura representa um enorme problema para os cientistas porque, apesar de constituir cerca de 85% da matéria do Universo e a sua influência impedir que as galáxias se separem à medida que giram, temos pouca ideia do que é feito.

Isso ocorre em parte porque a matéria escura é efetivamente invisível; não parece interagir com a luz, nem emitindo nem refletindo fótons padrão. Essa falta de interação eletromagnética sugere que a matéria escura não é composta de prótons, nêutrons e elétrons que compõem objetos de “matéria normal? como estrelas, planetas, luas, nossos corpos e o gato ao lado.

Embora nossos telescópios não consigam detectar a matéria escura diretamente, ela afeta estrelas, galáxias e até mesmo a luz por meio de suas interações com a gravidade.

Assim, os astrônomos podem dizer que algo está ali – eles simplesmente não sabem o que é.

Saber o que procurar e exatamente onde procurar é uma questão diferente.

“Estamos muito confiantes de que algo existe, mas pode assumir muitas, muitas formas”, disse Miller. Esta confusão levou os cientistas à caça de diferentes partículas com propriedades estranhas que poderiam constituir a matéria escura.

Um desses candidatos é o áxion, uma partícula hipotética com uma massa extremamente pequena. Caso existam áxions, eles podem interagir com o chamado fóton escuro, assim como a matéria cotidiana interage com fótons “comuns”.

Esta interação poderia ocasionalmente levar à criação de um fóton visível sob certas circunstâncias.

Os componentes do experimento BREAD com matéria escura (Crédito da imagem: BREAD Collaboration)

BREAD é uma antena parabólica coaxial em forma de tubo de metal curvo que cabe em uma mesa.

O experimento foi projetado para capturar fótons e canalizá-los para um sensor em uma extremidade para procurar um subconjunto de eixos possíveis. O experimento BREAD em grande escala verá o equipamento colocado dentro de um forte campo magnético, o que, segundo a equipe, aumentará as chances de conversão de axônios em fótons.

Como prova de princípio, a equipe conduziu um experimento BREAD sem os ímãs necessários para gerar este campo. A experiência proto-BREAD decorreu na Universidade de Chicago durante um mês e forneceu alguns dados interessantes, aguçando o apetite da equipe para a experiência em grande escala.

Os resultados do teste mostraram que o BREAD era altamente sensível na faixa de frequências que a equipe o projetou para sondar.

“Este é apenas o primeiro passo de uma série de experimentos emocionantes que estamos planejando”, disse o co-líder do BREAD e pesquisador do Fermilab, Andrew Sonnenschein.

“Temos muitas ideias para melhorar a sensibilidade da nossa busca axiônica.” O teste também demonstrou que a física de partículas pode ser feita sobre uma mesa, bem como em enormes aceleradores de partículas como o Grande Colisor de Hádrons (LHC), que percorre 27 quilômetros de profundidade sob a fronteira entre a França e a Suíça.

“Este resultado é um marco para o nosso conceito, demonstrando pela primeira vez o poder da nossa abordagem”, disse Stefan Knirck, pós-doutorado do Fermilab que liderou o desenvolvimento e construção do PÃO.

“É ótimo fazer esse tipo de ciência criativa em escala de mesa, onde uma pequena equipe pode fazer tudo, desde a construção do experimento até a análise de dados, mas ainda assim ter um grande impacto na física moderna de partículas.”

A próxima etapa do experimento BREAD verá o aparelho transportado para as instalações magnéticas do Laboratório Nacional de Argonne.

Além disso, instalações como o SLAC National Accelerator Laboratory, MIT, Caltech e o Jet Propulsion Laboratory da NASA estão trabalhando em pesquisa e desenvolvimento com a Universidade de Chicago e o Fermilab para futuras receitas do experimento BREAD.

“Ainda existem muitas questões em aberto na ciência e um enorme espaço para novas ideias criativas para lidar com essas questões”, concluiu Miller.

“Acho que este é um verdadeiro exemplo marcante desses tipos de ideias criativas – neste caso, parcerias colaborativas e impactantes entre a ciência de menor escala nas universidades e a ciência de maior escala nos laboratórios nacionais”.

Fonte: Space.com