Os físicos que estudam a matéria escura podem ter um dos empregos mais frustrantes da ciência. Seu trabalho trata de algo que deve, em quase todos os modelos do universo, existir. Mas nunca encontramos nenhuma evidência direta de matéria escura. Enquanto outros cientistas podem capturar seus objetos de estudo em um laboratório e realizar experimentos neles, os especialistas em matéria escura ficam com nada além de um conjunto tentador de pistas. É como estudar fantasmas — se fantasmas fossem reais e também constituíssem um quarto da matéria no universo conhecido.
Os cientistas que estudam a matéria escura também podem ser perdoados por se sentirem um pouco mais ansiosos ultimamente. Uma série de experimentos caros destinados a encontrar alguns dos principais candidatos à matéria escura resultaram em frustração.
“Agora é uma espécie de temporada de caça”, disse Daniel Carney, um físico teórico da Universidade de Maryland, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e do Fermilab. “Os físicos estão realmente se esforçando para pensar em novas maneiras de procurar a matéria escura e novos tipos de matéria escura que possam estar por aí”.
Carney acha que pode ter uma solução potencial. A única coisa que sabemos sobre a matéria escura é que ela exerce uma atração gravitacional. Então, por que não procuramos dessa forma?
Por mais simples que pareça, é uma abordagem que nunca foi tentada antes, em grande parte porque projetar tal experimento envolve calibrações tão requintadas que parecem quase improváveis. Mas Carney e um pequeno grupo de cientistas começaram a trabalhar em um protótipo que, segundo eles, um dia poderia levar a um detector capaz de localizar a atração gravitacional minúscula de uma partícula que não podemos ver nem sentir.
O detector tem um design simples — imagine uma caixa cheia de minúsculas contas penduradas ou suspensas no ar — mas a teoria por trás de sua construção equivale a repensar fundamentalmente a busca por matéria escura.
Os experimentos frustrados
Os astrônomos encontraram pela primeira vez indícios de matéria escura há mais de um século, a partir de observações de como as estrelas se moviam ao redor da Via Láctea. Desde então, mais evidências se acumularam.
Muito disso se resume ao fato de que, em grandes escalas, as coisas no universo se movem de maneiras que as leis da gravidade não conseguem explicar. Galáxias giram tão rapidamente que deveriam se separar; da mesma forma, aglomerados de galáxias não se movem de acordo com nossa compreensão atual da gravidade.
Outras linhas de evidência vêm da maneira como as galáxias dobram a luz ao seu redor e de como a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (luz residual do Big Bang) irradia energia.
Tudo isso se soma ao fato de que o universo deveria ter muito mais massa do que podemos ver. A matéria visível representa cerca de 5% da massa do universo — a matéria escura deve representar cerca de cinco vezes mais.
Mas de onde vem essa massa é uma questão em aberto. Os físicos propuseram inúmeras teorias para a matéria escura, como uma classe de nova partícula conhecida como Weakly Interacting Massive Particles (Partículas Massivas de Interação Fraca), ou WIMPs.
Durante anos, os WIMPs foram um dos principais candidatos à matéria escura, e os físicos elaboraram experimentos complexos para capturá-los. Isso incluía piscinas gigantes de xenônio líquido, destinadas a emitir um flash de luz caso um WIMP passasse.
Mas, quase 15 anos depois, os físicos ainda estão esperando por esse flash. E uma série de teorias alternativas para a matéria escura — que ela vem de partículas teóricas chamadas axions, ou de buracos negros primordiais, ou simplesmente que nosso entendimento da gravidade está errado — também não conseguiu produzir quaisquer insights concretos.
Carrilhão de vento
Essa é uma grande parte da razão pela qual Carney propõe reduzir a pesquisa ao insight básico de que a matéria escura deve ter massa.
“É a abordagem mais simples, na verdade”, disse ele. “Literalmente, a única coisa que você sabe sobre isso é que ela gravita; ela atrai matéria normal gravitacionalmente.”
O projeto proposto lembra algo como um carrilhão de vento, aqueles sinos que ficam suspensos e são tocados pelo movimento do ar, de acordo com Carney. Um bilhão de minúsculos sensores ficariam imóveis em um espaço fechado, monitorado por uma rede extremamente precisa de lasers capazes de medir movimentos com menos de uma fração do diâmetro de um próton.
“Estão pensando grande. Vai ser muito difícil, mas acho que é muito, muito emocionante.”
Carney faz parte da colaboração Windchime (“wind chime” é carrilhão de vento em inglês), um grupo recém-formado de 19 cientistas de várias instituições dedicados a explorar o potencial de um detector gravitacional de matéria escura.
Os detalhes do detector ainda estão em aberto. Os sensores podem ficar pendurados em fios finos ou levitar por ímãs. Ou, eles podem usar acelerômetros, semelhantes aos dos nossos telefones, mas muito mais sensíveis, para monitorar as mudanças de posição.
Como sabemos que a matéria escura gravita, qualquer partícula de matéria escura que passasse exerceria uma pequena atração gravitacional sobre os sensores, sacudindo-os de maneira reconhecível. Carney compara a matéria escura ao vento que agita as barras de um carrilhão de vento, fazendo-as vibrar.
Não é tão simples assim
Mas se a matéria escura é o vento, capturá-lo seria o mesmo que detectar um suspiro no meio de um furacão. Carros passando, passos, rajadas de vento reais — todos eles acionariam os sensores também, tornando a seleção da passagem de uma partícula extremamente difícil.
Por esse motivo, a gravidade não seria a primeira escolha de ninguém quando se trata de encontrar matéria escura, disse Rafael Lang, físico da Purdue e outro membro da colaboração.
“É uma maneira horrível, porque a gravidade é muito fraca”, disse ele. “É incrivelmente difícil. É muito, muito ruim. Qualquer outra coisa é melhor do que a gravidade.”
Ainda assim, disse Lang, o detector gravitacional o intrigou mais do que quase qualquer outro projeto de matéria escura que ele já viu, o suficiente para superar suas reservas sobre as falhas fundamentais de usar a gravidade para procurá-lo.
“Estão pensando grande”, disse Lang. “Vai ser muito difícil, mas acho que é muito, muito emocionante.”
Inspiração
Os cientistas estão em parte seguindo uma trilha aberta por outro experimento, a colaboração LIGO, que detectou ondas gravitacionais pela primeira vez em 2015.
Esse detector também depende de medições muito precisas de objetos para suas observações. Lasers saltando para frente e para trás entre os espelhos rastreiam sua posição com precisão extraordinária, o suficiente para detectar o alongamento e a contração minuciosa do espaço-tempo que ocorre quando uma onda gravitacional se espalha.
O LIGO, explicou Lang, mostrou que é possível fazer o tipo de medidas ultraprecisas necessárias para que o detector proposto funcione. Esse experimento também deve levar em conta todos os tipos de ruído potencialmente perturbador, incluindo ondas do mar, atividade sísmica e até mesmo moléculas de gás refletindo nos espelhos.
Apesar de tudo isso, o LIGO é capaz de manter os espelhos estáveis o suficiente para detectar movimentos menores do que 1/10.000 o diâmetro de um próton.
Outros fatores
O detector da colaboração Windchime precisaria ser ainda mais preciso. O detector terá de ser tão preciso que até mesmo as flutuações quânticas, causadas em escalas muito pequenas pela incerteza fundamental na posição de uma partícula subatômica, poderia confundir a sensibilidade dos detectores, como Carney detalha em um recente artigo na Physical Review D.
O ruído quântico também é um fator no LIGO, e o experimento desenvolveu algumas maneiras de lidar com ele, incluindo o uso de uma forma de luz que foi manipulada para suprimir as flutuações quânticas. Mas para ser ainda mais preciso, disse Carney, serão necessários anos ou mesmo décadas de trabalho adicional.
No momento, a colaboração Windchime está nos estágios iniciais de construção de um protótipo simples do detector. Essa primeira prova de conceito deve ser sensível o suficiente, pensa Carney, para talvez sentir uma bola de boliche passando. Versões posteriores do detector aumentarão drasticamente a sensibilidade, passando do reino do lazer humano para as partículas subatômicas e além.
Mesmo que o detector seja construído, sua busca pode não revelar nada. Os candidatos potenciais à matéria escura têm massas que abrangem cerca de 90 ordens de magnitude, uma enorme faixa que cobre tudo, desde partículas subatômicas até estrelas. Seu detector será capaz de procurar partículas com massas cobrindo apenas duas ou três ordens de magnitude centradas em torno de um centésimo de milésimo de grama.
Ainda assim, esse intervalo cobre algumas explicações propostas diferentes para a matéria escura, incluindo as pepitas de quark escuras ou os restos de buracos negros primordiais que passam pelo detector.
Com pepitas de quark ou não, um carrilhão de vento com detecção de matéria escura seria um tipo inteiramente novo de experimento para cientistas, oferecendo a promessa tentadora de novas descobertas.
“Até o ano passado, ninguém havia sonhado com tal dispositivo”, disse Lang. “E agora estamos começando a construí-lo.”