Convertendo matéria escura invisível em luz visível

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

As explorações da matéria escura estão a avançar utilizando novas técnicas experimentais concebidas para detectar eixos e aproveitando tecnologia avançada e colaboração interdisciplinar para descobrir os segredos desta componente indescritível do universo.

Um fantasma assombra nosso mundo. Isso é conhecido na astronomia e na cosmologia há décadas. Notas eu sugiro cerca de 85% Toda a matéria do universo é misteriosa e invisível. Essas duas qualidades estão refletidas em seu nome: matéria escura.

Vários experimentos Eles pretendem descobrir os seus ingredientes, mas apesar de décadas de investigação, os cientistas não conseguiram. agora Nossa nova experiênciaem construção em Universidade de Yale Nos Estados Unidos, oferece uma nova tática.

A matéria escura existe no universo desde o início dos tempos. Junte estrelas e galáxias. Invisível e sutil, não parece interagir com a luz ou qualquer outro tipo de matéria. Na verdade, deveria ser algo completamente novo.

O Modelo Padrão da física de partículas está incompleto e isso é um problema. Temos que procurar o novo Partículas fundamentais. Surpreendentemente, as mesmas falhas do modelo padrão dão pistas preciosas sobre onde podem estar escondidas.

O problema com o nêutron

Veja o nêutron, por exemplo. Forma o núcleo atômico com o próton. Embora geralmente neutra, a teoria afirma que é composta por três partículas carregadas chamadas quarks. Por esta razão, esperamos que algumas partes do nêutron tenham carga positiva e outras negativamente – o que significa que ele teve o que os físicos chamam de momento de dipolo elétrico.

Até agora, Muitas tentativas Medi-lo levou à mesma conclusão: é pequeno demais para ser descoberto. Outro fantasma. Não estamos a falar de deficiências nos instrumentos, mas sim de um factor que deve ser inferior a uma parte em dez mil milhões. É tão pequeno que as pessoas se perguntam se poderia ser completamente zero.

Mas na física, o zero matemático é sempre uma afirmação forte. No final da década de 1970, os físicos de partículas Roberto Picci e Helen Coyne (e mais tarde Frank Wilczek e Steven Weinberg) tentaram descobrir Compreendendo a teoria e as evidências.

Eles sugeriram que o parâmetro provavelmente não é zero. Em vez disso, é uma quantidade dinâmica que perde lentamente a sua carga e depois evolui para zero. a grande explosão. Cálculos teóricos mostram que, se tal evento ocorreu, deve ter deixado para trás um grande número de partículas de luz ilusórias.

Eles são chamados de “áxions” em homenagem a uma marca de detergente porque podem “resolver” o problema dos nêutrons. E ainda mais. Se os áxions foram criados no início do universo, eles existem desde então. Mais importante ainda, as suas propriedades definem todos os elementos esperados da matéria escura. Por estas razões, os hubs tornaram-se um dos Partículas candidatas preferidas Para matéria escura.

Os áxions interagirão fracamente com outras partículas. No entanto, isso significa que eles ainda interagirão bastante. Eixos invisíveis podem se transformar em partículas comuns, incluindo – ironicamente – fótons, a essência da luz. Isto pode acontecer sob certas condições, como a presença de um campo magnético. Esta é uma dádiva de Deus para os físicos experimentais.

Design experimental

Muitos experimentos Eles tentam conjurar o fantasma de Axion em um ambiente de laboratório controlado. Alguns deles visam converter a luz em eixo, por exemplo, e depois converter o eixo em luz do outro lado da parede.

Atualmente, a abordagem mais sensível tem como alvo o halo de matéria escura que permeia a galáxia (e, portanto, a Terra) usando um dispositivo chamado coroa. É uma cavidade condutora imersa em um forte campo magnético. O primeiro capta a matéria escura que nos rodeia (presumindo que sejam axônios), enquanto o segundo a faz se transformar em luz. O resultado é um sinal eletromagnético que aparece dentro da cavidade, oscilando em uma frequência característica dependendo da massa do áxion.

O sistema funciona como um receptor de rádio. Deve ser devidamente ajustado para interceptar a frequência de interesse. Na prática, as dimensões da cavidade são alteradas para acomodar diferentes frequências características. Se as frequências do áxion e da cavidade não corresponderem, é como sintonizar o rádio no canal errado.

O poderoso ímã é transportado para o laboratório da Universidade de Yale. Crédito: Universidade de Yale

Infelizmente, o canal que procuramos não pode ser previsto com antecedência. Não temos escolha a não ser varrer todas as frequências possíveis. É como selecionar uma estação de rádio em um mar de ruído branco – uma agulha em um palheiro – com um rádio antigo que precisa ser aumentado ou menor toda vez que giramos o botão de frequência.

Contudo, estes não são os únicos desafios. Cosmologia refere-se a Dezenas de gigahertz Como a última fronteira promissora da busca por axions. Como frequências mais altas requerem cavidades menores, a exploração dessa região exigiria cavidades muito pequenas para capturar uma quantidade significativa de sinal.

Novos experimentos tentam encontrar caminhos alternativos. nosso Experimento de plasmascópio longitudinal (Alpha). Utiliza um novo conceito de cavitação baseado em metamateriais.

Os metamateriais são materiais compósitos com propriedades universais que diferem dos seus componentes – são mais do que a soma das suas partes. Uma cavidade preenchida com hastes condutoras adquire uma frequência distinta, como se fosse um milhão de vezes menor, enquanto seu tamanho quase não muda. É exatamente disso que precisamos. Além disso, as barras oferecem um sistema de ajuste integrado e fácil de ajustar.

Atualmente estamos construindo a configuração, que estará pronta para receber dados em alguns anos. A tecnologia é promissora. Seu desenvolvimento foi resultado da colaboração entre físicos do estado sólido, engenheiros elétricos, físicos de partículas e até matemáticos.

Embora rebuscados, os axions estão alimentando um progresso que nenhum espectro será capaz de eliminar.

Escrito por Andrea Gallo Russo, Pós-Doutorado em Física, Universidade de Estocolmo.

Adaptado de artigo publicado originalmente em Conversação.