Cientistas australianos estão avançando para resolver um dos maiores mistérios do universo: a natureza da matéria escura invisível.
O ORGAN Experiment, o primeiro grande detector de matéria escura da Austrália, concluiu recentemente uma busca por uma partícula hipotética chamada áxion – um candidato popular entre as teorias que tentam explicar a matéria escura.
ORGAN colocou novos limites nas possíveis características dos áxions e, assim, ajudou a estreitar a busca por eles. Mas antes de nos anteciparmos…
Vamos começar com uma história
Cerca de 14 bilhões de anos atrás, todos os pequenos pedaços de matéria – as partículas fundamentais que mais tarde se tornariam você, o planeta e a galáxia – foram comprimidos em uma região muito densa e quente.
Então o Big Bang aconteceu e tudo se desfez. As partículas se combinaram em átomos, que eventualmente se juntaram para formar estrelas, que explodiram e criaram todos os tipos de matéria exótica.
Depois de alguns bilhões de anos veio a Terra, que acabou rastejando com pequenas coisas chamadas humanos. História legal, né? Acontece que não é toda a história; não é nem metade.
Pessoas, planetas, estrelas e galáxias são todos feitos de matéria regular. Mas sabemos que a matéria regular constitui apenas um sexto de toda a matéria do universo.
O resto é feito do que chamamos de matéria escura. Seu nome diz quase tudo o que sabemos sobre ele. Ele não emite luz (por isso chamamos de escuro) e tem massa (por isso chamamos de matéria).
Se é invisível, como sabemos que está lá?
Quando observamos a maneira como as coisas se movem no espaço, descobrimos repetidamente que não podemos explicar nossas observações se considerarmos apenas o que podemos ver.
Galáxias giratórias são um ótimo exemplo. A maioria das galáxias gira a velocidades que não podem ser explicadas apenas pela atração gravitacional da matéria visível.
Portanto, deve haver matéria escura nessas galáxias, fornecendo gravidade extra e permitindo que girem mais rápido – sem que partes sejam lançadas no espaço. Achamos que a matéria escura literalmente mantém as galáxias juntas.
Também podemos supor que exista uma enorme quantidade de matéria escura no universo, atraindo todas as coisas que podemos ver. Está passando por você também, como uma espécie de fantasma cósmico. Você simplesmente não pode sentir isso.
Como podemos detectá-lo?
Muitos cientistas acreditam que a matéria escura pode ser composta de partículas hipotéticas chamadas áxions. Os áxions foram originalmente propostos como parte de uma solução para outro grande problema da física de partículas chamado problema do CP forte (sobre o qual poderíamos escrever um artigo inteiro).
De qualquer forma, depois que o áxion foi proposto, os cientistas perceberam que a partícula também poderia formar matéria escura sob certas condições. Isso porque espera-se que os áxions tenham interações muito fracas com a matéria regular, mas ainda tenham alguma massa: as duas condições necessárias para a matéria escura.
Então, como você procura por áxions?
Bem, como se pensa que a matéria escura está ao nosso redor, podemos construir detectores aqui na Terra. E, felizmente, a teoria que prevê axions também prevê que os axions podem se converter em fótons (partículas de luz) sob as condições certas.
Esta é uma boa notícia, porque somos ótimos em detectar fótons. E é exatamente isso que o ORGAN faz. Ele cria as condições corretas para a conversão axion-fóton e procura sinais de fóton fracos – pequenos flashes de luz gerados pela matéria escura que passa pelo detector.
Esse tipo de experimento é chamado de haloscópio axion e foi proposto pela primeira vez na década de 1980. Existem alguns no mundo hoje, cada um ligeiramente diferente em aspectos importantes.
Brilhando uma luz sobre a matéria escura
Acredita-se que um áxion se converta em um fóton na presença de um forte campo magnético. Em um haloscópio típico, geramos esse campo magnético usando um grande eletroímã chamado solenóide supercondutor.
Dentro do campo magnético, colocamos uma ou várias câmaras ocas de metal, destinadas a prender os fótons e fazê-los saltar para dentro, tornando-os mais fáceis de detectar.
No entanto, há um soluço. Tudo o que tem uma temperatura emite constantemente pequenos flashes aleatórios de luz (é por isso que as câmeras termográficas funcionam). Essas emissões aleatórias, ou ruídos, tornam mais difícil detectar os sinais fracos de matéria escura que estamos procurando.
Para contornar isso, colocamos nosso ressonador em um refrigerador de diluição. Essa geladeira sofisticada resfria o experimento a temperaturas criogênicas, cerca de -273°C, o que reduz bastante o ruído.
Quanto mais frio o experimento, melhor podemos “ouvir” fótons fracos produzidos durante a conversão da matéria escura.
Segmentar regiões de massa
Um áxion de uma certa massa se converterá em um fóton de uma certa frequência ou cor. Mas como a massa dos áxions é desconhecida, os experimentos devem direcionar sua busca para diferentes regiões, concentrando-se naquelas onde a matéria escura é considerada mais provável de existir.
Se nenhum sinal de matéria escura for encontrado, então o experimento não é sensível o suficiente para ouvir o sinal acima do ruído, ou não há matéria escura na região de massa do áxion correspondente.
Quando isso acontece, definimos um “limite de exclusão” – que é apenas uma maneira de dizer “não encontramos nenhuma matéria escura nessa faixa de massa, para esse nível de sensibilidade”. Isso diz ao resto da comunidade de pesquisa da matéria escura para direcionar suas pesquisas para outro lugar.
ORGAN é o experimento mais sensível em sua faixa de frequência alvo. Sua execução recente não detectou sinais de matéria escura. Este resultado estabeleceu um importante limite de exclusão sobre as possíveis características dos áxions.
Esta é a primeira fase de um plano plurianual de busca de áxions. No momento, estamos preparando o próximo experimento, que será mais sensível e terá como alvo um novo intervalo de massa ainda inexplorado.
Mas por que a matéria escura é importante?
Bem, por um lado, sabemos pela história que quando investimos em física fundamental, acabamos desenvolvendo tecnologias importantes. Por exemplo, toda a computação moderna depende de nossa compreensão da mecânica quântica.
Nós nunca teríamos descoberto a eletricidade, ou ondas de rádio, se não buscássemos coisas que, na época, pareciam ser fenômenos físicos estranhos além de nossa compreensão. A matéria escura é a mesma.
Considere tudo o que os humanos conseguiram ao compreender apenas um sexto da matéria do universo – e imagine o que poderíamos fazer se desbloqueássemos o resto.
Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
