Os físicos planejam não perder nenhuma oportunidade: se a matéria escura afeta diferentes tipos de detectores, se a luz das estrelas se curva, se os núcleos dos planetas se aquecem e se ela se deposita nas rochas.
Opções do gráfico massa de partículas de matéria escura (clicável)
Desde então, como na década de 1980, concordou que a maior parte da massa do universo é invisível para nós, e que essa "matéria escura" deve impedir a galáxia da destruição e se formar por gravidade, o aparecimento de todo o cosmos Os experimentadores procuraram essas partículas não luminosas.
Eles primeiro começaram a procurar por uma forma pesada e lenta de matéria escura chamada partículas massivas de interação fraca.(partícula massiva de interação fraca, WIMP) - fracos. Esse candidato inicial era um dos candidatos mais preferíveis para o papel de matéria cósmica perdida - ele poderia resolver outro mistério separado da física de partículas. Durante décadas, os físicos construíram alvos cada vez maiores na forma de cristais e reservatórios de várias toneladas de líquidos exóticos, na esperança de capturar a rara oscilação dos átomos que ocorre após a colisão com WIMPs.
Mas os detectores permaneceram silenciosos e os físicos estão cada vez mais começando a especular sobre uma gama mais ampla de possibilidades. No lado mais massivo do espectro, dizem eles, a matéria invisível do Universo pode se aglomerar , formando buracos negros que pesam de uma estrela. No outro extremo, a matéria escura pode se propagar como uma névoa fina de partículas, milhares de trilhões de trilhões de vezes mais leve que um elétron.
Novas hipóteses trazem consigo novos métodos de detecção. Catherine Zurek, uma física teórica do Instituto de Tecnologia da Califórnia, diz que se não virmos nada nos experimentos atuais do WIMP, "então, muitas pesquisas nesta área serão direcionadas a esses novos experimentos".
E o trabalho já começou. Aqui estão algumas das muitas novas fronteiras na busca pela matéria escura.
Entre um elétron e um próton
Os WIMPs teriam massa suficiente para derrubar átomos inteiros como uma bola de boliche. Mas, caso a matéria escura seja mais clara, em alguns experimentos são preparados pinos mais leves.
Uma chuva leve de partículas de matéria escura pesando menos do que um próton às vezes poderia tirar os elétrons dos átomos que os contêm. O primeiro experimento projetado especificamente para capturar essa matéria escura é o Sub-Electron-Noise Skipper CCD Experimental Instrument ( SENSEI ), que usa tecnologia semelhante à encontrada em câmeras digitais. Ele amplifica sinais de elétrons inesperadamente acelerados que aparecem dentro da substância.
Quando o protótipo do SENSEI foi ligado, colocando um décimo de grama de silício nele, ele não encontrou matéria escura. Mesmo assim, os resultados, divulgados pela equipe em 2018, descartaram de imediato alguns modelos.
“Assim que o ligamos, imediatamente obtivemos as melhores restrições do mundo”, disse Tien-Tien Yu , físico da Universidade de Oregon e membro da equipe do SENSEI. "Porque não havia restrições antes."
Resultados recentesA versão de dois gramas do experimento SENSEI expandiu essas limitações, e agora Yu e seus colegas estão se preparando para implementar a versão de 10 gramas no laboratório subterrâneo do Canadá, longe dos raios cósmicos interferentes. Outros grupos estão desenvolvendo versões alternativas de experimentos de baixo custo que visam resultados semelhantes e facilmente alcançáveis.
Em direção ao alívio
Se a matéria escura for ainda mais clara ou não for suscetível a cargas elétricas, ela não eliminará os elétrons. Tsyurek pensou em métodos que permitiriam que até mesmo uma pequena quantidade de sua presença fosse influenciada por grupos de partículas.
Imagine um bloco de silício em forma de colchão, cujas molas são núcleos atômicos. Se você jogar uma pequena moeda em um colchão desses, diz Tsyurek, nenhuma das molas se moverá muito. No entanto, a moeda causará uma onda que então se propagará por muitas fontes. Em 2017, ela sugeriu que um distúrbio semelhante causado pela matéria escura poderia gerar ondas sonoras que aqueceriam ligeiramente o sistema.
Um dos projetos que seguem este caminho, o Tesseract, agora trabalha no porão da Universidade da Califórnia em Berkeley. Ele procura ondas geradas por partículas de matéria escura, semelhantes em peso às que o SENSEI está procurando. Porém, versões futuras do experimento permitirão, teoricamente, a busca por partículas mil vezes mais leves.
No entanto, também existem mais possibilidades liliputianas. A matéria escura pode ser composta de axions - partículas tão leves que se parecem mais com ondas do que com partículas. Também resolveria o enigma da força nuclear forte. Recentemente, o Axion Dark Matter Experiment ( ADMX ) começou a procurar axions que decaem em pares de fótons em um poderoso campo magnético. Vários outros experimentos semelhantes estão começando a funcionar.
Alguns experimentos visam partículas ainda mais leves. A menor massa que uma partícula de matéria escura pode teoricamente possuir é mil trilhões de trilhões de vezes menos que a massa de um elétron. Seria uma partícula com uma onda de energia extremamente baixa e com um comprimento de onda comparável ao diâmetro de uma pequena galáxia. Partículas ainda menos pesadas estariam muito manchadas no espaço e não poderiam explicar por que as galáxias não se desintegram.
Dicas de cima
Enquanto alguns experimentadores estão preparando a próxima geração de dispositivos, com a intenção de estabelecer contato direto com a matéria escura, outros planejam vasculhar os céus em busca de sinais indiretos dela.
Acredita-se que galáxias e estrelas criem enormes nuvens de matéria escura que atraem gravitacionalmente a matéria visível. No entanto, se houver pequenos aglomerados de matéria escura, eles não serão capazes de fazer isso. Esses pedaços modestos seriam completamente escuros, mas ainda distorceriam a luz das estrelas que passava. Um grupo de pesquisadores está procurando sinais dessa "lente" da luz das estrelas por pedaços de matéria escura nos dados do Telescópio Espacial de Gaia , que está operando atualmente .
“Estruturas escuras estão se movendo através de nossa galáxia”, disse Anna-Maria Taki , uma física da Universidade de Oregon e um dos membros do grupo. “Quando eles se movem, eles distorcem a localização, o movimento e as trajetórias das fontes de luz.
Os resultados preliminares , publicados em setembro, não mostraram a presença dessas estruturas, cuja massa seria superior a 100 milhões de sóis. Os pesquisadores esperam ter bancos de dados maiores onde nuvens menores possam ser encontradas. E com base no tamanho e na forma dessas estruturas hipotéticas, os cientistas já serão capazes de entender como as partículas de matéria escura interagem umas com as outras.
Outros pesquisadores descobriram uma maneira de adaptar o catálogo de exoplanetas em rápido crescimento para a pesquisa. "Existem apenas bilhões dessas coisas", disse Rebecca Lin , física de partículas do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC e co-autora da proposta de setembro .
A ideia é que um planeta que passa pela Via Láctea possa acumular matéria escura em seu núcleo. Partículas dessa matéria escura, aniquilando-se com suas antipartículas, aquecem o planeta. Os exoplanetas mais próximos do centro da galáxia passam por aglomerados mais densos de matéria escura, de modo que devem brilhar mais intensamente na faixa do infravermelho. Lin e colegas calcularam que se o futuro Telescópio Espacial James Webb pode medir a temperatura de vários milhares de exoplanetas, então em tal conjunto de dados será possível considerar sinais de aniquilação de partículas de matéria escura, a massa das quais está na faixa entre um elétron e um próton.
A matéria escura está em toda parte
Os Wimps podem estar em declínio, mas ainda não foram completamente abandonados. No próximo mês de março, o Laboratório Nacional Gran Sasso, na Itália, lançará um experimento com um tanque de xenônio de 4 toneladas. A equipe sul-coreana Cosine-100 quer testar uma alegação polêmica feita pelos participantes de outro experimento em Gran Sasso, DAMA. No último, uma série de cristais de iodeto de sódio registrou exatamente o tipo de mudanças sazonais nos dados que deveriam ocorrer quando a Terra colocasse diferentes lados do "vento" da matéria escura por onde passa. “Eles têm uma modulação anual, sem dúvida. Mas de onde vem isso? " Disse Catherine Fries , uma astrofísica da Universidade do Texas em Austin. "Não podemos entender isso."
Os cálculos de Fries ajudaram a dar o pontapé inicial na era da experimentação WIMP. Agora ela tem novas ideias para encontrar essas partículas. Em 2018, ela sugeriu que os wimps podem estar contidos em rochas com vários quilômetros de profundidade e recentemente se juntou a uma proposta para escavá-los.
Muitos físicos esperam que a matéria escura seja apática e ubíqua. Se eles puderem pensar em maneiras suficientes de sentir o invisível, então sua influência invisível pode se manifestar em qualquer lugar. Esses métodos incluem capturar diferentes tipos de detectores, distorcer a luz das estrelas, aquecer os núcleos dos planetas e até acumular pedras.
“Qualquer coisa pode ser um detector de matéria escura”, disse Lin. "Você só precisa ser criativo o suficiente para descobrir como usá-lo."