Transformando matéria escura invisível em luz visível

As explorações da matéria escura estão avançando com novas técnicas experimentais concebidas para detectar áxions, aproveitando tecnologia avançada e colaboração interdisciplinar para descobrir os segredos deste componente indescritível do cosmos.

Aglomerado de galáxias, à esquerda, com um anel de matéria escura visível, à direita. Crédito: NASA, ESA, MJ Jee e H. Ford (Universidade Johns Hopkins) 

Um fantasma está assombrando nosso universo. Isso é conhecido na astronomia e na cosmologia há décadas. Observações sugerem que cerca de 85% de toda a matéria do universo é misteriosa e invisível. Essas duas qualidades estão refletidas em seu nome: matéria escura.

Vários experimentos têm como objetivo desvendar do que ele é feito, mas, apesar de décadas de busca, os cientistas ficaram aquém. Agora, nosso novo experimento, em construção na Universidade de Yale, nos EUA, está oferecendo uma nova tática.

A matéria escura está ao redor do universo desde o início dos tempos, unindo estrelas e galáxias. Invisível e sutil, não parece interagir com a luz ou qualquer outro tipo de matéria. Na verdade, tem que ser algo completamente novo.

O modelo padrão da física de partículas é incompleto, e isso é um problema. Temos que buscar novas partículas fundamentais. Surpreendentemente, as mesmas falhas do modelo padrão dão dicas preciosas sobre onde eles podem se esconder.

O problema com o nêutron

Vamos pegar o nêutron, por exemplo. Ele compõe o núcleo atômico junto com o próton. Apesar de ser neutro no geral, a teoria afirma que ele é composto por três partículas constituintes carregadas chamadas quarks. Por causa disso, esperaríamos que algumas partes do nêutron fossem carregadas positivamente e outras negativamente – isso significaria que ele estava tendo o que os físicos chamam de momento dipolo elétrico.

No entanto, muitas tentativas de medi-lo vieram com o mesmo resultado: é muito pequeno para ser detectado. Outro fantasma. E não estamos falando de inadequações instrumentais, mas de um parâmetro que tem que ser menor do que uma parte em dez bilhões. É tão pequeno que as pessoas se perguntam se poderia ser zero completamente.

Na física, no entanto, o zero matemático é sempre uma afirmação forte. No final dos anos 70, os físicos de partículas Roberto Peccei e Helen Quinn (e, mais tarde, Frank Wilczek e Steven Weinberg) tentaram acomodar teoria e evidências.

Eles sugeriram que, talvez, o parâmetro não seja zero. Pelo contrário, é uma quantidade dinâmica que lentamente perdeu sua carga, evoluindo para zero, após o Big Bang. Cálculos teóricos mostram que, se tal evento aconteceu, ele deve ter deixado para trás uma infinidade de partículas leves e sorrateiras.

Estes foram apelidados de "axiões" em homenagem a uma marca de detergente porque poderiam "esclarecer" o problema dos nêutrons. E ainda mais. Se os axiões foram criados no universo primitivo, eles estão por aí desde então. Mais importante, suas propriedades verificam todas as caixas esperadas para a matéria escura. Por essas razões, os axiões se tornaram uma das partículas candidatas favoritas para a matéria escura.

Os axiões só interagiriam com outras partículas fracamente. No entanto, isso significa que eles ainda interagiriam um pouco. Os axiões invisíveis poderiam até se transformar em partículas comuns, incluindo – ironicamente – fótons, a própria essência da luz. Isso pode acontecer em circunstâncias específicas, como na presença de um campo magnético. Esta é uma dádiva de Deus para os físicos experimentais.

Delineamento Experimental

Muitos experimentos estão tentando evocar o axião-fantasma no ambiente controlado de um laboratório. Alguns visam converter a luz em axiões, por exemplo, e depois os axiões de volta em luz do outro lado de uma parede.

Atualmente, a abordagem mais sensível visa o halo de matéria escura que permeia a galáxia (e, consequentemente, a Terra) com um dispositivo chamado haloscópio. É uma cavidade condutora imersa em um forte campo magnético; o primeiro capta a matéria escura que nos rodeia (supondo que sejam axiões), enquanto o segundo induz a conversão em luz. O resultado é um sinal eletromagnético aparecendo dentro da cavidade, oscilando com uma frequência característica dependendo da massa do áxion.

O sistema funciona como um rádio receptor. Ele precisa ser devidamente ajustado para interceptar a frequência em que estamos interessados. Na prática, as dimensões da cavidade são alteradas para acomodar diferentes frequências características. Se as frequências do áxion e da cavidade não combinarem, é como sintonizar um rádio no canal errado.

Infelizmente, o canal que estamos procurando não pode ser previsto com antecedência. Não temos escolha a não ser escanear todas as frequências potenciais. É como escolher uma estação de rádio em um mar de ruído branco – uma agulha em um palheiro – com um rádio velho que precisa ser maior ou menor toda vez que giramos o botão de frequência.

No entanto, esses não são os únicos desafios. A cosmologia aponta dezenas de giga-hertz como a mais recente e promissora fronteira para a busca de áxions. Como frequências mais altas requerem cavidades menores, explorar essa região exigiria cavidades muito pequenas para capturar uma quantidade significativa de sinal.

Novos experimentos estão tentando encontrar caminhos alternativos. Nosso experimento Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha) usa um novo conceito de cavidade baseado em metamateriais.

Metamateriais são materiais compósitos com propriedades globais que diferem de seus constituintes – eles são mais do que a soma de suas partes. Uma cavidade preenchida por hastes condutoras recebe uma frequência característica como se fosse um milhão de vezes menor, enquanto pouco muda de volume. É exatamente disso que precisamos. Além disso, as hastes fornecem um sistema de ajuste integrado e fácil de ajustável.

No momento, estamos construindo a configuração, que estará pronta para receber dados em alguns anos. A tecnologia é promissora. Seu desenvolvimento é o resultado da colaboração entre físicos do estado sólido, engenheiros elétricos, físicos de partículas e até matemáticos.

Apesar de serem tão esquivos, os axiões estão alimentando o progresso que nenhum fantasma jamais tirará.

Escrito por Andrea Gallo Rosso, pós-doutoranda em Física, Universidade de Estocolmo.

Adaptado de um artigo publicado originalmente no The Conversation.A Conversa

Fonte: scitechdaily.com