A matéria escura é a substância misteriosa que compreende cerca de 23% de toda a massa do nosso universo, mas até agora iludiu muitas tentativas dos físicos para detectá-la diretamente. Talvez, em vez de procurar uma partícula de matéria escura, eles devam procurar algo mais semelhante a uma onda – um candidato hipotético à matéria escura conhecido como axion.
Nesse caso, talvez devêssemos “ouvir” a matéria escura. Físicos da Universidade de Estocolmo e do Instituto de Física Max Planck propuseram um novo design para um “rádio axial” que emprega plasmas frios (gases ou líquidos de partículas carregadas) para fazer exatamente isso em um artigo recente da Physical Review Letters.
“Encontrar o axion é um pouco como sintonizar um rádio: você precisa sintonizar sua antena até ouvir a frequência certa”, disse o co-autor Alexander Millar, um pós-doutorado na Universidade de Estocolmo. “Em vez de música, os experimentalistas seriam recompensados ??’ouvindo’ a matéria escura pela qual a Terra está viajando”.
Até agora, grande parte da busca por matéria escura se concentrou nas chamadas partículas massivas que interagem fracamente, ou WIMPs. Havia boas razões teóricas para focar nessa faixa de massa, principalmente o conceito de supersimetria, em que cada partícula no Modelo Padrão deveria ter um “super parceiro” mais pesado e na classe oposta (férmion ou bóson). Por exemplo, um elétron (na classe férmion) teria um super parceiro bóson chamado “selétron”. Um ou mais desses super parceiros podem compor a matéria escura.
Mas todas as experiências de caça à matéria escura surgiram repetidamente vazias, e o espaço disponível para parâmetros dentro da faixa de massa WIMP-y está diminuindo rapidamente. Os físicos sabem que estão chegando muito perto do “piso de neutrinos”, onde a tecnologia de detecção se tornará tão sensível e estará captando tantos neutrinos aleatórios que detectar um sinal de matéria escura em todo o ruído se tornará muito mais difícil.
Sobre o axion, o segundo candidato mais promissor para a matéria escura: De acordo com a mecânica quântica, as partículas podem exibir um comportamento semelhante a uma onda, bem como suas características. Portanto, um axion se comportaria mais como uma onda (ou pacote de ondas) do que como uma partícula, e o tamanho dos pacotes de ondas é inversamente proporcional à sua massa. Isso significa que essas partículas muito leves não precisam necessariamente ser pequenas. A desvantagem é que eles interagem ainda mais fracamente com a matéria regular que o WIMPS, portanto não podem ser produzidos em grandes colisores – um método atual para detectar WIMPs.
Os físicos não sabem qual pode ser a massa do axion, então há um amplo espaço de parâmetros para pesquisar, e nenhum instrumento pode cobrir tudo isso, de acordo com o co-autor Matthew Lawson, também um pós-doutorado na Universidade de Estocolmo. É por isso que os físicos vêm desenvolvendo todos os tipos de experimentos menores para detectar axions, desde relógios atômicos e barras ressonantes, até lasers brilhantes nas paredes, por acaso, um pouco de matéria escura escoa pelo outro lado. No entanto, a maioria dos instrumentos até hoje são capazes de detectar axions apenas dentro de uma faixa de massa muito limitada.
Isso inclui experimentos – principalmente o ADMX e o HAYSTAC – que empregam haloscópios de cavidades ressonantes, instrumentos que usam um forte campo magnético para converter os eixos da matéria escura em fótons detectáveis ??de microondas. O maior desafio dos haloscópios convencionais é que a faixa de massa que eles podem detectar depende do tamanho do instrumento. Portanto, para alcançar frequências mais altas ou faixas de massa com haloscópios, você precisa de volumes cada vez menores. Portanto, a ADMX e a HAYSTAC lutam para aumentar sua capacidade de detecção acima de aproximadamente 6 GHz.
Eles criaram um design inovador para um haloscópio sintonizável baseado em plasma. O instrumento proposto explora o fato de que axions dentro de um forte campo magnético geram seu próprio pequeno campo elétrico. Por sua vez, isso leva a oscilações no plasma, amplificando o sinal.
A equipe compara a melhoria da sensibilidade à diferença entre um walkie-talkie e uma torre de transmissão de rádio. “O legal da nossa ideia é que sua ressonância não tem nada a ver com sua extensão física”, disse Lawson. “Então, mesmo em frequências mais altas, você pode ter um grande volume do qual está colhendo matéria escura”.
Essa mesma interação também pode produzir um plasmônio, uma quase partícula que “é como uma onda sonora, exceto que, em vez de sacudir núcleos ou átomos, você sacode eletrons”, disse Lawson. Para produzir plasmons, a frequência característica do plasma deve corresponder à frequência do axion (que é determinada por sua massa). Então você deve ser capaz de criar plasmas “ajustáveis”.
Lawson e seus colegas propõem que isso pode ser feito através de um “metamaterial do fio”: uma série de finos fios paralelos dentro de um cilindro, cercados por um poderoso campo magnético externo. O metamaterial funciona como um transformador. Os fios se acoplam indutivamente, de modo que a configuração de uma corrente em um produza uma corrente no outro. Assim, a frequência pode ser ajustada alterando o espaçamento entre os fios na matriz, possibilitando a busca de axios em uma faixa muito mais ampla.
Para fins de detecção, é preferível um plasma frio. “Normalmente, em qualquer tipo de experimento de detecção de matéria escura, seu sinal será fenomenalmente pequeno”, disse Lawson. “Então você quer o ambiente com menos ruído possível. Sempre que você tem um plasma quente, ele brilha.” (Ou seja, um plasma quente gera fótons, adicionando ruído indesejável ao sistema.) “Sem o plasma frio, os axônios não podem se converter eficientemente em luz”, disse ele. “O plasma desempenha um papel duplo, criando um ambiente que permite uma conversão eficiente e fornecendo um plasmon ressonante para coletar a energia da matéria escura convertida”.
No momento, o projeto de é teórico, mas vários grupos experimentais estão trabalhando ativamente na construção de protótipos. “O fato de a comunidade experimental ter se apegado a essa ideia tão rapidamente é muito emocionante e promissor para a construção de um experimento em grande escala”, disse Millar.
Publicado em 18/10/2019
Artigo original: https://arstechnica.com/science/2019/10/axion-radio-would-exploit-cold-plasmas-to-let-physicists-hear-dark-matter/
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