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Um bilhão de pêndulos minúsculos poderá detectar matéria escura

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/11/2020

Um bilhão de pêndulos minúsculos poderá detectar matéria escura
Como as teorias mais aceitas não funcionaram, os físicos estão partindo para ideias alternativas, já que o efeito gravitacional atribuído à matéria escura continua valendo.
[Imagem: NIST]

Efeito gravitacional da matéria escura

Todos os experimentos feitos até hoje para detectar a matéria escura - e foram muitos - voltaram de mãos vazias, de modo que continuamos sem entender o que gera a gravidade que mantém as galáxias coesas.

A massa da matéria comum não seria suficiente para isso, o que leva os cosmologistas a estimarem que existe um "algo a mais" que representa 27% da massa do Universo, contra apenas 5% da matéria de que nós e as estrelas somos feitos - os outros 68% seriam a energia escura, que explicaria porque o Universo está se expandindo.

Com a falta de resultados, os físicos estão deixando de lado as teorias usadas para embasar esses experimentos - a mais famosa delas fala de partículas conhecidas como WIMPs - e partindo em busca de novas possíveis explicações.

Encorajados pelo sucesso na detecção das ondas gravitacionais, Daniel Carney e seus colegas da Universidade de Maryland, nos EUA, estão propondo dois experimentos que deverão detectar a matéria escura unicamente por seus efeitos gravitacionais, ao contrário das tentativas feitas até hoje, que tentaram detectar as hipotéticas partículas de matéria escura conforme eles colidissem com substâncias químicas comuns, emitindo luz ou liberando carga elétrica nesses choques - só para relembrar, isso não funcionou.

Sensores mecânicos de matéria escura

Além da consideração de que as partículas de matéria escura devem ter uma massa maior do que os físicos calculavam até agora, as duas propostas envolvem dispositivos mecânicos minúsculos, com cerca de um milímetro, funcionando como detectores gravitacionais extremamente sensíveis. Os sensores seriam resfriados a temperaturas próxima ao zero absoluto para minimizar o ruído elétrico relacionado ao calor e protegidos dos raios cósmicos e outras fontes de radioatividade.

No primeiro cenário, um bilhão de pêndulos altamente sensíveis ficaria esperando serem ligeiramente sacudidos pelo empurrão de uma partícula de matéria escura que passasse. Isso é basicamente uma miniaturização dos enormes sensores dos laboratórios Ligo e Virgo, que detectam ondas gravitacionais de eventos de dimensões cósmicas.

Na segunda estratégia, os pesquisadores propõem o uso de esferas levitadas por um campo magnético, ou gotas levitadas por laser. Neste esquema, a levitação é desligada assim que o experimento começa, de forma que as esferas ou gotas ficam em queda livre. A gravidade de uma partícula de matéria escura que passe perturbaria levemente o caminho dos objetos em queda livre. Repita isso à exaustão e uma hora calhará de você detectar uma dessas eventuais partículas.

Um bilhão de pêndulos minúsculos poderá detectar matéria escura
Como os experimentos não detectam nada, tem havido também tentativas para unificar a matéria escura com a energia escura.
[Imagem: J. S. Farnes]

Os dois experimentos seriam sensíveis a partículas que variam de cerca de 1/5.000 de um miligrama até alguns miligramas. Essa escala de massa é particularmente interessante porque cobre a chamada massa de Planck, uma quantidade de massa determinada apenas por três constantes fundamentais da natureza e equivalente a cerca de 1/5.000 de um grama.

"Nós estamos usando o movimento dos objetos como nosso sinal," explicou Jacob Taylor, membro da equipe. "Isso é diferente de essencialmente todos os detectores da física de partículas que estão por aí."

Lado escuro e lado da luz

Os pesquisadores calculam que seria necessário construir uma matriz de cerca de um bilhão de minúsculos sensores mecânicos, distribuídos em um metro cúbico, para diferenciar uma partícula de matéria escura verdadeira de uma partícula comum ou de sinais elétricos aleatórios espúrios, ou "ruído", acionando um alarme falso nos sensores.

Partículas subatômicas comuns, como nêutrons (interagindo por meio de uma força não gravitacional), não afetariam os detectores. Por outro lado, a equipe espera que uma partícula de matéria escura, passando zunindo pela matriz como um asteroide em miniatura, sacuda gravitacionalmente todos os detectores em seu caminho, um após o outro, o que traz o benefício adicional de revelar a direção do movimento da partícula de matéria escura.

Para fabricar tantos sensores minúsculos, a equipe sugere usar as mesmas técnicas que as indústrias automotiva e de celulares já usam para produzir um grande número de detectores mecânicos.

E, graças à sensibilidade dos detectores individuais, os sensores não estariam restritos ao lado escuro da matéria - uma versão em menor escala do mesmo experimento poderia detectar as forças fracas de ondas sísmicas distantes, bem como da passagem de partículas subatômicas comuns, como neutrinos e fótons de baixa energia.

"Estamos definindo a meta ambiciosa de construir um detector gravitacional de matéria escura, mas a pesquisa e desenvolvimento necessária para alcançar isso abriria a porta para muitas outras medições de detecção e metrologia," disse Carney.

Bibliografia:

Artigo: Proposal for gravitational direct detection of dark matter
Autores: Daniel Carney, Sohitri Ghosh, Gordan Krnjaic, Jacob M. Taylor
Revista: Physical Review D
Vol.: 102, 072003
DOI: 10.1103/PhysRevD.102.072003
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