Pesquisadores da Universidade de Delaware, Universidade do Arizona e Haverford College recentemente introduziram a idéia de procurar matéria escura escalar usando ressonadores acústicos compactos. Seu trabalho, publicado na Physical Review Letters, demonstra teoricamente o potencial dos sistemas mecânicos na busca de matéria escura.
“Como um teórico que começou no campo da optomecânica como estudante de graduação, sempre me perguntei se é possível usar alguns dos dispositivos requintados que meus colegas experimentais estão desenvolvendo como sensores para detectar novos fenômenos físicos”, disse Swati Singh, dos pesquisadores que realizaram o estudo, disse à Phys.org. “Quando li um artigo sobre como certos tipos de matéria escura podem levar a um sinal de deformação periódico, fiz a conexão com meu trabalho anterior sobre a detecção de ondas gravitacionais de pulsares. O objetivo do nosso artigo recente era mostrar a promessa de um maior variedade de dispositivos mecânicos como sensores de mesa da matéria escura “.
Por muitos anos, os físicos teóricos previram a existência de partículas que não emitem, refletem ou absorvem luz e, portanto, não podem ser detectadas usando ferramentas tradicionais para o estudo da matéria. Enquanto muitos pesquisadores tentaram detectar essas partículas, conhecidas como matéria escura, sua natureza precisa permanece desconhecida.
“Embora não saibamos o que é matéria escura, podemos simplificar a pesquisa concentrando-se em partículas com teor teórico”, disse Jack Physley, outro pesquisador envolvido no estudo recente, ao Phys.org. “Optamos por procurar matéria escura ‘ultraleve’: partículas que são teoricamente mais leves que os neutrinos”.
Os pesquisadores levantam a hipótese de que a matéria escura ultraleve é extremamente leve, mais leve que os neutrinos. Se essas partículas de matéria escura existissem, sua densidade seria tão grande que seria melhor vista como um fluido que permeia a galáxia, produzindo uma perturbação semelhante à onda na matéria normal.
“A hipótese ultraleve da matéria escura é motivada por cenários da teoria das cordas e, além disso, pode explicar algumas discrepâncias intrigantes entre as previsões de moléculas escuras mais prosaicas e a distribuição da matéria escura em escalas galácticas”, Daniel Grin, outro pesquisador envolvido no estudo.
Em seu estudo, Singh, Manley, Grin e seus colegas procuraram um tipo específico de partícula que faz os tamanhos dos átomos oscilarem, chamada matéria escura escalar. Essa oscilação seria pequena para um único átomo, mas pode ser amplificada em objetos compostos por vários átomos. Objetos que vibram naturalmente em sincronia com essa oscilação podem ampliar ainda mais o efeito, parecendo um instrumento musical.
“Um elemento chave do nosso trabalho é identificar uma classe de objetos mecânicos que vibram com a frequência da matéria escura ultraleve e produzem uma ressonância muito limpa”, disse Dalziel Wilson, outro pesquisador que conduziu o estudo. “Propomos ouvir esses dispositivos em um ambiente criogênico muito silencioso, usando a luz como uma espécie de microfone”.
Os pesquisadores querem usar ressonadores acústicos compactos feitos de hélio superfluido ou materiais monocristalinos para procurar candidatos escalares à matéria escura. Suas previsões teóricas sugerem que esses ressonadores poderiam acessar um amplo segmento de espaço de parâmetros anteriormente não comprovado.
No geral, o estudo recente realizado por Singh, Manley, Grin, Wilson e seus colegas destaca o potencial de sistemas mecânicos de ponta na escala cm para detectar a matéria escura em regimes anteriormente inexplorados, com massas de partículas individuais variando de 10-48 kg a 10-42 kg. No futuro, esses ressonadores poderiam, portanto, desempenhar um papel crucial na busca de matéria escura, particularmente no regime ultraleve.
“Ao instigar colaborações entre a óptica quântica e as comunidades de física de alta energia (como fizemos ao envolver o físico de partículas Daniel Grin), podemos desenvolver um melhor entendimento mútuo da motivação e das limitações dos novos detectores de matéria escura”, disse Singh.
Os fótons escuros, com a hipótese de serem matematicamente semelhantes aos fótons, são um dos candidatos mais populares à matéria escura do vetor. Embora essas partículas nunca tenham sido observadas antes, agora existe uma quantidade substancial de teoria sobre elas.
Em seus estudos futuros, os pesquisadores gostariam de usar ressonadores compactos para procurar fótons escuros. Seus cálculos iniciais sugerem que esses dispositivos mecânicos poderiam estabelecer novos limites sobre a intensidade com que os fótons escuros se encaixariam na matéria normal, mas isso só pode ser confirmado por estudos experimentais.
“No momento, estamos projetando um experimento para pesquisar a matéria escura vetorial, que combina mais com a posição do que com o tamanho dos átomos”, afirmou Wilson. “Uma simples corda ou ressonador mecânico semelhante a um tambor seria sensível a esse tipo de agitação. Curiosamente, os esforços para medir o movimento quantificado de nanoestruturas e membranas em escala de cm, no campo da optomecânica da cavidade, já poderiam estabelecer novas restrições à existência de tal matéria escura “.
Publicado em 22/05/2020 06h49
Artigo original:
Estudo original:
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: