Apesar do vasto e caro esforço para descobrir a identidade do material invisível que parece constituir grande parte do universo, nenhum candidato proposto à matéria escura foi detectado por qualquer experimento científico. Agora, uma equipe de pesquisadores sugeriu um projeto que utiliza um espelho superfino e tem como objetivo detectar algo chamado fótons escuros.

A pesquisa, publicada no início deste ano na revista Physical Review Letters, descreve um acelerômetro do tamanho de uma moeda que, em teoria, seria capaz de medir a presença de partículas muito pequenas para serem vistas por experimentos mais antigos. O trabalho dá continuidade a um artigo anterior da mesma equipe publicado no ano passado.

As partículas teóricas que eles esperam encontrar são chamadas de fótons escuros. Eles não devem ser confundidos com fótons de luz. “Assim como os fótons, eles são representados por um equivalente do campo eletromagnético”, disse Jack Manley, principal autor do novo artigo e pesquisador de óptica quântica no laboratório de Swati Singh na Universidade de Delaware. “No entanto, ao contrário dos fótons, os fótons escuros têm massa. Essa propriedade os torna candidatos à matéria escura.”

Muita matéria escura pode se esconder no centro de nossa galáxia, a Via Láctea. Imagem: Nasa/JPL-Caltech

Os dois artigos exploraram diferentes tipos de assinaturas de matéria escura; basicamente, diferentes caminhos que os físicos acham que podem oferecer uma amostra do material real. “Ambos os artigos consideram a possibilidade de que nossa galáxia esteja nadando em um mar de partículas que são trilhões de vezes mais leves do que um elétron, e essas partículas ainda a serem detectadas constituem toda a matéria escura”, disse a coautora Swati Singh, uma teórica de óptica quântica da Universidade de Delaware. “No entanto, existem diferenças fundamentais entre o que são essas partículas e como elas interagem com a matéria normal.”

Os físicos estão procurando por algo que chamaram de “matéria escura” porque, quando olham para o cosmos, veem efeitos gravitacionais que sugerem que há muito mais massa presente do que a matéria normal que podemos detectar. Consequentemente, eles acreditam que deve haver alguma coisa “escura” — invisível para nossas tecnologias atuais — para explicar toda essa gravidade extra. Uma teoria da matéria escura é que coisas chamadas axions são responsáveis ​​pelos efeitos gravitacionais observáveis ​​da matéria invisível. (Uma sugestão recente afirmava que tais axions podem surgir e desaparecer nos misteriosos núcleos das estrelas de nêutrons).

Alguns contendores de longa data são conhecidos como partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs. Ainda outra ideia é que a matéria escura pode ser explicada por pequenos buracos negros do universo primordial. Todas essas várias teorias de como a matéria escura se manifesta e onde reside normalmente vêm com ideias sobre como podemos detectá-la.

Singh explicou que há uma grande incerteza sobre a densidade da matéria escura. Há aproximadamente o equivalente ao peso de um esquilo de matéria escura para cada massa do tamanho da Terra, disse ela; a questão não é quanta matéria escura existe, mas se essa matéria escura está realmente concentrada em uma massa equivalente a um esquilo uniformemente distribuída por toda a massa do tamanho da Terra em uma névoa ultrafina de partículas.

A proposta da equipe é um cartão do tamanho de uma moeda, com 100 nanômetros de espessura, feito de uma membrana de nitreto de silício e um espelho de berílio. Os materiais são extremamente sensíveis e, quando a luz é refletida entre as superfícies, o detector seria capaz de medir se a distância entre o espelho e a membrana mudou; isso indicaria que algo os separou — uma sugestão de nova física. Como um diapasão, o dispositivo da equipe pode ser configurado para “ouvir” a matéria escura em uma determinada frequência. Se muitos desses detectores fossem construídos, cada um poderia ser configurado para canais diferentes (frequências) para observar a matéria escura; se nenhum resultado aparecer em um determinado período, eles podem simplesmente continuar navegando nos canais.

A matéria escura poderia simplesmente permear todo o universo, incluindo aqui na galáxia M101. Imagem: Nasa/JPL/Caltech

O dispositivo é escalável e acessível, muito diferente dos layouts de detectores de matéria escura mais tradicionais, que exigem coisas como uma tonelada de xenônio enterrada sob uma montanha. Na verdade, o design da equipe seria de uma mesa, embora não como você provavelmente imaginaria.

“Queremos dizer uma mesa óptica, que geralmente fica sobre pernas pneumáticas que a isolam da Terra, como o sistema de suspensão de um carro de luxo”, disse o coautor Dalziel Wilson, um experimentalista de óptica quântica da Universidade do Arizona. “Se isso não for bom o suficiente — o que não será — então teremos que construir outro sistema de suspensão em cima da mesa. E depois outro, etc.” Quanto melhor suspenso o detector (quanto mais perto da queda livre ele estiver), melhor a capacidade dos seus resultados cortarem o ruído da atividade terrestre. Wilson observou que os artigos também não são necessariamente sobre o projeto experimental específico que a equipe criou, mas sim um apelo a grupos semelhantes que trabalham em dispositivos de medição de precisão para tarefas tão difíceis.

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Singh estimou que as execuções experimentais com o detector poderiam estar operacionais em cerca de cinco anos. Esses sensores diminutos encontrarão alguma matéria escura? Bem, ninguém sabe ainda. Mas mesmo um resultado nulo diz aos físicos o que a matéria escura não é, o que ajudará a refinar pesquisas futuras.