Caçadores de matéria escura estão procurando dentro de pedras por novas pistas


Em quase dois Dezenas de laboratórios subterrâneos espalhados por toda a Terra, usando cubas de líquido ou blocos de metal e semicondutores, os cientistas estão procurando evidências de matéria escura. Seus experimentos estão ficando mais complicados, e a busca está ficando mais precisa, mas, além de um sinal muito contestado vindo de um laboratório na Itália, ninguém encontrou evidências diretas do misterioso material que, acredita-se, constitui 84% da questão. no universo.

Um novo estudo sugere que devemos olhar mais profundamente.

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História original reproduzida com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorial independente da Fundação Simons, cuja missão é melhorar a compreensão pública da ciência, abrangendo desenvolvimentos de pesquisa e tendências em matemática e ciências físicas e da vida.

A matéria escura é diferente da matéria bariônica regular – o material que transforma estrelas, galáxias, cães, humanos e tudo mais – na medida em que não interage com nada, exceto pela gravidade (e talvez a força nuclear fraca). Nós não podemos ver, mas os físicos estão certos de que está lá, esculpindo galáxias e seus caminhos através do cosmos.

Por muitas décadas, os candidatos preferidos para partículas de matéria escura têm sido hipotéticos, chamados de partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs. Muitos experimentos procuram por eles procurando por evidências de que um WIMP apareceu e derrubou a matéria comum. Nesse cenário, um WIMP tocaria um núcleo atômico através da força fraca. O núcleo assustado então recuaria e emitiria alguma forma de energia, como um lampejo de luz ou uma onda sonora. A detecção de fenómenos tão pouco perceptíveis requer instrumentos sensíveis, geralmente enterrados no subsolo. Isso é principalmente para que os instrumentos sejam protegidos dos raios cósmicos rebeldes, que também podem causar recuos nos núcleos.

Depois de procurar por esses leves sinais durante décadas, os cientistas têm poucas provas concretas para mostrar. Agora, uma equipe de físicos na Polônia, na Suécia e nos EUA tem outra ideia. Não olhe para o germânio, o xenônio e os cintiladores de detectores enterrados sob a crosta terrestre, eles argumentam: olhem para a própria crosta do planeta. No registro de rochas, onde histórias do passado de nosso sistema solar estavam enterradas, poderíamos encontrar o recuo fossilizado de núcleos atômicos assustados, as pegadas congeladas de um WIMP.

"Estamos sempre buscando maneiras alternativas de fazer as coisas", disse Katherine Freese, física teórica da Universidade de Michigan e arquiteta das idéias por trás de alguns dos detectores existentes em operação.

Katherine Freese desenvolveu várias idéias para detectores de matéria escura. Algumas de suas ideias foram transformadas em experimentos.

Um detector paleo subterrâneo funcionaria de maneira similar aos métodos atuais de detecção direta, de acordo com Freese e seus colegas. Em vez de equipar um laboratório com um grande volume de líquido ou metal para observar recuos de WIMP em tempo real, eles procurariam vestígios fósseis de WIMPs que batessem nos núcleos atômicos. Como núcleos recuam, eles deixariam rastros de danos em algumas classes de minerais.
Se o núcleo recua com vigor suficiente, e se os átomos que são perturbados são enterrados profundamente na terra (para proteger a amostra dos raios cósmicos que podem enlamear os dados), então a pista de recuo poderia ser preservada. Se assim for, os pesquisadores podem cavar a pedra, descascar camadas de tempo e explorar o evento longínquo usando técnicas sofisticadas de imagem nano, como a microscopia de força atômica. O resultado final seria uma trilha fóssil: a contraparte da matéria escura para encontrar a pegada de um saurópode quando fugiu de um predador.

Torneiras minúsculas

Cerca de cinco anos atrás, Freese começou a discutir idéias sobre novos tipos de detectores com Andrzej Drukier, físico da Universidade de Estocolmo, que começou sua carreira estudando a detecção de matéria escura antes de se dedicar à biofísica. Uma de suas ideias, idealizada junto com o biólogo George Church, envolvia detectores de matéria escura baseados em reações de DNA e enzimas.

Em 2015, Drukier viajou para Novosibirsk, Rússia, para trabalhar em um protótipo de detector biológico a ser abrigado sob a superfície da Terra. Na Rússia, ele soube dos furos perfurados durante a Guerra Fria, alguns dos quais atingem 12 quilômetros de profundidade. Nenhum raio cósmico pode penetrar tão longe. Drukier ficou intrigado.

Os detectores típicos de matéria escura são relativamente grandes e altamente sensíveis a eventos repentinos. Eles realizam suas pesquisas durante vários anos, mas na maioria das vezes eles estão procurando por toques WIMP em tempo real. Os minerais, embora relativamente pequenos e menos sensíveis às interações com o WIMP, podem representar uma pesquisa que continua por centenas de milhões de anos.

"Esses pedaços de rocha, removidos dos núcleos muito profundos, têm um bilhão de anos", disse Drukier. “Quanto mais fundo você vai, mais velho é. Então, de repente, você não precisa construir um detector. Você tem um detector no chão.

A terra apresenta seus próprios problemas. O planeta está cheio de urânio radioativo, que produz nêutrons à medida que se decompõe. Esses nêutrons também podem bater nos núcleos. Freese disse que o trabalho inicial da equipe que descreve paleodetectores não explica o ruído causado pela decomposição do urânio, mas uma série de comentários de outros cientistas interessados ​​fez com que eles voltassem e revisassem. A equipe passou dois meses estudando milhares de minerais para entender quais são isolados da decomposição do urânio. Eles argumentam que os melhores paleo-detectores seriam compostos de evaporitos marinhos – basicamente, sal-gema – ou em rochas que contêm muito pouca sílica, que são chamadas de rochas ultrabásicas. Além disso, eles procuram por minerais que têm muito hidrogênio, já que o hidrogênio bloqueia efetivamente os nêutrons que vêm da decomposição do urânio.

Halita, mais comumente conhecido como sal-gema, é uma rocha ultrabásica que poderia potencialmente ser usada como um detector de matéria escura.

A busca por recuos de fósseis pode ser uma boa maneira de procurar por WIMPs de baixa massa, disse Tracy Slatyer, um físico teórico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que não esteve envolvido na pesquisa.

“Você está procurando por um núcleo saltando aparentemente sem razão, mas tem que pular uma certa quantia para você ver. Se eu pular uma bola de pingue-pongue para fora de uma bola de boliche, não veremos a bola de boliche se mover muito – ou será melhor você conseguir detectar pequenas mudanças no movimento da sua bola de boliche ”, disse ela. . "Esta é uma nova maneira de fazer isso."

O experimento mais difícil

O trabalho de campo envolvido não seria fácil. A pesquisa teria que ocorrer no subsolo, onde as amostras do núcleo seriam protegidas da radiação cósmica e solar. E o estado-da-arte da nanotecnologia seria necessário para resolver as evidências de manipulação dos núcleos.
Mesmo que os WIMPs deixem uma cicatriz observável, a principal preocupação dos paleo-detectores será garantir que os rastros fósseis sejam realmente provenientes de partículas de matéria escura, disse Slatyer. Os pesquisadores terão que gastar muito tempo para se convencer de que os recuos não são o trabalho de nêutrons, neutrinos do sol ou qualquer outra coisa, ela disse.

“Eles fazem um bom argumento de que você pode ir bem fundo para se proteger dos raios cósmicos”, disse ela, “mas isso não é um sistema controlado. Isto não é um laboratório. Você pode não conhecer muito bem a história desses depósitos de rochas. Mesmo se você reivindicasse um sinal disso, teria que fazer muito mais trabalho para se convencer de que não estava vendo algum tipo de experiência. ”

Drukier e Freese disseram que a força dos paleo-detectores pode estar em números. Uma rocha contém multidões de minerais, cada um com núcleos atômicos que recuariam de um WIMP saqueador de diferentes maneiras. Diferentes elementos serviriam, portanto, como detectores diferentes, todos embrulhados em uma amostra central. Isso permitiria que os experimentalistas observassem um espectro de recuos, corroborando suas evidências e potencialmente permitindo-lhes tirar conclusões sobre a massa do WIMP, disse Freese. No futuro, um detector de paleo pode até fornecer um registro WIMP ao longo do tempo, assim como o registro fóssil permite aos paleontólogos reconstruir a história da vida na Terra.

Para Slatyer, o longo disco poderia oferecer uma sonda única do halo da matéria escura da Via Láctea, a nuvem de material invisível que a Terra navega enquanto o sistema solar faz sua órbita de 250 milhões de anos ao redor do centro da galáxia. Entender como o halo de matéria escura da Via Láctea é distribuído pode fornecer informações sobre seu comportamento físico, disse Slatyer. Pode até demonstrar se a matéria escura interage consigo mesma de formas que vão além da gravidade.

"Este é um lugar onde a teoria e modelagem ainda estão em desenvolvimento muito ativo", disse ela.

Isso ainda está muito longe da realidade. Freese e Drukier dizem que um detector de paleo de princípio de prova teria primeiro que demonstrar que pode encontrar pistas de recuo deixadas por partículas conhecidas como os neutrinos solares. Então eles devem provar que podem isolar as trilhas do WIMP desses recuos comuns.

"É uma grande mudança de perspectiva", disse Drukier. “Vamos encontrar matéria escura? Eu passei 35 anos procurando por isso. Este é provavelmente o experimento mais difícil do mundo, então podemos não ter sorte. Mas é legal.

História original reproduzida com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorial independente da Fundação Simons, cuja missão é melhorar a compreensão pública da ciência, abrangendo desenvolvimentos de pesquisa e tendências em matemática e ciências físicas e da vida.


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