Físicos do SLAC National Accelerator Laboratory estão explorando um novo método para detectar matéria escura usando dispositivos quânticos, concentrando-se em uma forma menos conhecida chamada matéria escura termalizada. A sua abordagem envolve a utilização de sensores quânticos, tradicionalmente perturbados por intrusões de energia inexplicáveis, para detectar potencialmente os impactos energéticos subtis da matéria escura. Esta pesquisa inovadora aproveita as capacidades únicas da tecnologia quântica para potencialmente resolver o mistério de longa data da detecção de matéria escura. Crédito: SciTechDaily.com
Desde a sua descoberta, a matéria escura continuou a escapar à detecção pelos cientistas, mesmo com a implantação de múltiplas experiências de detectores de partículas ultra-sensíveis em todo o mundo ao longo de várias décadas.
Agora, os físicos do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia (DOE) estão propondo uma nova maneira de procurar matéria escura usando dispositivos quânticos, que podem ser ajustados naturalmente para detectar o que os pesquisadores chamam de matéria escura termalizada.
A maioria dos experimentos com matéria escura busca matéria escura galáctica, que é lançada diretamente do espaço para a Terra, mas outro tipo pode estar rondando a Terra há anos, disse a física do SLAC Rebecca Leane, autora do novo estudo.
“A matéria escura entra na Terra, salta muito e, eventualmente, fica presa pelo campo gravitacional da Terra”, disse Leane, trazendo-a para um equilíbrio que os cientistas chamam de termalizada. Com o tempo, esta matéria escura termalizada atinge uma densidade mais elevada do que as poucas partículas galácticas soltas, o que significa que pode ser mais provável que atinja um detector. Infelizmente, a matéria escura termalizada move-se muito mais lentamente do que a matéria escura galáctica, o que significa que transmitiria muito menos energia do que a matéria escura galáctica – provavelmente muito pouca para os detectores tradicionais verem.
Possibilidades de detecção quântica
Com isso em mente, Leane e o colega de pós-doutorado do SLAC, Anirban Das, contataram Noah Kurinsky, cientista da equipe do SLAC e líder de um novo laboratório focado na detecção de matéria escura com sensores quânticos, que estava pensando em um quebra-cabeça: mesmo quando os supercondutores são resfriado até zero absolutoremovendo toda a energia do sistema e criando um estado quântico estável, de alguma forma a energia entra novamente e perturba o estado quântico.
Normalmente, os cientistas presumem que isso se deve a sistemas de resfriamento imperfeitos ou a alguma fonte de calor no ambiente, disse Kurinksy. Mas pode haver outra razão, disse ele: “E se realmente tivermos um sistema perfeitamente frio, e a razão pela qual não conseguimos resfriá-lo de forma eficaz é porque ele é constantemente bombardeado por matéria escura?”
Das, Kurinsky e Leane se perguntaram se os dispositivos quânticos supercondutores poderiam ser redesenhados como detectores termalizados de matéria escura. De acordo com os seus cálculos, a energia mínima necessária para activar um sensor quântico é suficientemente baixa – cerca de um milésimo de electrão-volt – para poder detectar matéria escura galáctica de baixa energia, bem como partículas de matéria escura termalizadas que pairam em torno da Terra.
É claro que isso não significa que a matéria escura seja a culpada pela interrupção dos dispositivos quânticos – apenas que isso é possível. O próximo passo, disseram Leane e Kurinsky, é descobrir se e como eles podem transformar dispositivos quânticos sensíveis em detectores de matéria escura.
Com isso, há algumas coisas a considerar. Para começar, talvez haja um material melhor para fazer o dispositivo. “Para começar, estávamos analisando o alumínio, e isso só porque esse é provavelmente o material mais bem caracterizado usado em detectores até agora”, disse Leane. “Mas pode acontecer que, para o tipo de faixa de massa que estamos analisando e para o tipo de detector que queremos usar, talvez haja um material melhor.”
Há também a possibilidade de que a matéria escura termalizada não interaja com um dispositivo quântico da mesma forma que se suspeita que a matéria escura galáctica interaja com dispositivos de detecção direta, disse Leane. “Neste estudo, estávamos apenas pensando em um caso simples de matéria escura entrando e ricocheteando diretamente no detector, mas que poderia fazer muitas outras coisas.” Por exemplo, outras partículas poderiam interagir com a matéria escura, alterando a forma como as partículas no detector são distribuídas.
“Esta é uma das grandes vantagens de estar no SLAC”, diz Leane. “Temos realmente uma gama bastante diversificada de grupos trabalhando em muitas ciências diferentes, e sinto que este projeto é uma sinergia muito boa da pesquisa no SLAC.”
Referência: “Dark Matter Induced Power in Quantum Devices” por Anirban Das, Noah Kurinsky e Rebecca K. Leane, 22 de março de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.121801
A pesquisa foi financiada pelo DOE Office of Science.
