Aglomerado de galáxias, à esquerda, com um anel de matéria escura visível, à direita. Crédito: NASA, ESA, MJ Jee e H. Ford (Universidade Johns Hopkins)
As explorações na matéria escura estão a avançar com novas técnicas experimentais concebidas para detectar áxions, aproveitando tecnologia avançada e colaboração interdisciplinar para descobrir os segredos deste componente indescritível do cosmos.
Um fantasma está assombrando nosso universo. Isso é conhecido na astronomia e na cosmologia há décadas. Observações sugerir que cerca de 85% de toda a matéria do universo é misteriosa e invisível. Essas duas qualidades estão refletidas em seu nome: matéria escura.
Vários experimentos pretendiam desvendar do que é feito, mas apesar de décadas de pesquisas, os cientistas não conseguiram. Agora nosso novo experimentoem construção em Universidade de Yale nos EUA, está oferecendo uma nova tática.
A matéria escura existe no universo desde o início dos tempos, juntando estrelas e galáxias. Invisível e sutil, não parece interagir com a luz ou qualquer outro tipo de matéria. Na verdade, tem que ser algo completamente novo.
O modelo padrão da física de partículas está incompleto e isso é um problema. Temos que procurar novos partículas fundamentais. Surpreendentemente, as mesmas falhas do modelo padrão dão pistas preciosas sobre onde podem se esconder.
O problema com o nêutron
Tomemos o nêutron, por exemplo. Ele compõe o núcleo atômico junto com o próton. Apesar de ser globalmente neutra, a teoria afirma que é composta por três partículas constituintes carregadas chamadas quarks. Por causa disso, esperaríamos que algumas partes do nêutron estivessem carregadas positivamente e outras negativamente – isso significaria que ele teria o que os físicos chamam de momento de dipolo elétrico.
Ainda, muitas tentativas medi-lo tiveram o mesmo resultado: é demasiado pequeno para ser detectado. Outro fantasma. E não estamos falando de inadequações instrumentais, mas de um parâmetro que tem que ser menor que uma parte em dez bilhões. É tão pequeno que as pessoas se perguntam se poderia ser totalmente zero.
Na física, porém, o zero matemático é sempre uma afirmação forte. No final dos anos 70, os físicos de partículas Roberto Peccei e Helen Quinn (e mais tarde, Frank Wilczek e Steven Weinberg) tentaram acomodar teoria e evidências.
Eles sugeriram que, talvez, o parâmetro não seja zero. Pelo contrário, é uma quantidade dinâmica que lentamente perdeu a sua carga, evoluindo para zero, após o Big Bang. Cálculos teóricos mostram que, se tal evento aconteceu, deve ter deixado para trás uma infinidade de partículas leves e sorrateiras.
Eles foram apelidados de “áxions” em homenagem a uma marca de detergente porque poderiam “esclarecer” o problema dos nêutrons. E ainda mais. Se os áxions foram criados no universo primitivo, eles têm permanecido por aí desde então. Mais importante ainda, suas propriedades atendem a todos os requisitos esperados para a matéria escura. Por essas razões, os áxions se tornaram um dos partículas candidatas favoritas para matéria escura.
Os áxions interagiriam apenas fracamente com outras partículas. No entanto, isso significa que eles ainda interagiriam um pouco. Os áxions invisíveis poderiam até se transformar em partículas comuns, incluindo – ironicamente – fótons, a própria essência da luz. Isto pode acontecer em circunstâncias particulares, como na presença de um campo magnético. Esta é uma dádiva de Deus para os físicos experimentais.
Design experimental
Muitos experimentos estão tentando evocar o fantasma-axion no ambiente controlado de um laboratório. Alguns pretendem converter a luz em áxions, por exemplo, e depois os áxions novamente em luz do outro lado de uma parede.
Atualmente, a abordagem mais sensível visa o halo de matéria escura que permeia a galáxia (e, consequentemente, a Terra) com um dispositivo chamado haloscópio. É uma cavidade condutora imersa em um forte campo magnético; o primeiro captura a matéria escura que nos rodeia (assumindo que sejam áxions), enquanto o último induz a conversão em luz. O resultado é um sinal eletromagnético que aparece dentro da cavidade, oscilando com uma frequência característica dependendo da massa do áxion.
O sistema funciona como um rádio receptor. Ela precisa ser adequadamente ajustada para interceptar a frequência em que estamos interessados. Praticamente, as dimensões da cavidade são alteradas para acomodar diferentes frequências características. Se as frequências do áxion e da cavidade não corresponderem, é como sintonizar um rádio no canal errado.
O poderoso ímã é transferido para o laboratório de Yale. Crédito: Universidade de Yale
Infelizmente, o canal que procuramos não pode ser previsto com antecedência. Não temos escolha a não ser examinar todas as frequências potenciais. É como escolher uma estação de rádio num mar de ruído branco – uma agulha num palheiro – com um rádio antigo que precisa de ser maior ou menor cada vez que rodamos o botão de frequência.
No entanto, esses não são os únicos desafios. A cosmologia aponta para dezenas de gigahertz como a mais recente e promissora fronteira para a busca axion. 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 Haloscópio de Plasma Longitudinal Axion (Alfa) usa um novo conceito de cavidade baseado em metamateriais.
Os metamateriais são materiais compósitos com propriedades globais que diferem dos seus constituintes – são mais do que a soma das suas partes. Uma cavidade preenchida com hastes condutoras adquire uma frequência característica como se fosse um milhão de vezes menor, mas pouco altera seu volume. É exatamente disso que precisamos. Além disso, as hastes fornecem um sistema de afinação integrado e fácil de ajustar.
No momento, estamos construindo a configuração, que estará pronta para receber dados em alguns anos. A tecnologia é promissora. Seu desenvolvimento é resultado da colaboração entre físicos do estado sólido, engenheiros elétricos, físicos de partículas e até matemáticos.
Apesar de serem tão evasivos, os axions estão alimentando um progresso que nenhum fantasma jamais poderá eliminar.
Escrito por Andrea Gallo Rosso, Pós-Doutorado em Física, Universidade de Estocolmo.
Adaptado de artigo publicado originalmente em A conversa.
