A busca por matéria escura está se expandindo. E indo a pequenos passos.
Embora a matéria escura seja abundante no universo – é de longe a forma mais comum de matéria, compondo cerca de 85% do total do universo – ela também se esconde à vista de todos. Ainda não sabemos do que é feito, embora possamos testemunhar sua força gravitacional sobre a matéria conhecida.
As partículas massivas de interação fraca teorizadas, ou WIMPs, estão entre os suspeitos prováveis ??de matéria escura, mas ainda não apareceram onde os cientistas esperavam.
Lançando muitas pequenas redes
Assim, os cientistas estão agora redobrando seus esforços, projetando experimentos novos e ágeis que podem procurar por matéria escura em faixas anteriormente inexploradas de massa e energia de partículas, e usando métodos previamente não testados. A nova abordagem, em vez de confiar em algumas “redes” de grandes experimentos para tentar capturar um tipo de matéria escura, é semelhante a lançar muitas redes menores com uma malha muito mais fina.
A matéria escura poderia ser muito “mais leve”, ou mais baixa em massa e mais leve em energia, do que se pensava anteriormente. Poderia ser composto de partículas ultraleves teóricas e onduladas conhecidas como axions. Poderia ser povoada por um reino selvagem cheio de muitas espécies de partículas ainda não descobertas. E pode não ser composto de partículas.
A dinâmica vem se desenvolvendo para experimentos de matéria escura de baixa massa, o que poderia expandir nossa compreensão atual da composição da matéria como incorporada no Modelo Padrão da física de partículas, observou Kathryn Zurek, cientista sênior e física teórica do Departamento de Energia Lawrence Berkeley. Laboratório Nacional (Berkeley Lab).
Zurek, que também é afiliado à UC Berkeley, tem sido pioneiro ao propor teorias de matéria escura de baixa massa e possíveis maneiras de detectá-la.
“Que evidência experimental temos para a física além do modelo padrão? A matéria escura é uma das melhores”, disse ela. “Há essas idéias teóricas que existem há uma década, mais ou menos”, acrescentou Zurek, e os novos desenvolvimentos em tecnologia – como novos avanços em sensores quânticos e materiais para detectores – também ajudaram a impulsionar novos experimentos.
“O campo amadureceu e floresceu na última década. Tornou-se mainstream – isso não é mais a margem”, disse ela. As discussões de matéria escura de baixa massa passaram de pequenas conferências e oficinas para um componente da estratégia geral na busca de matéria escura.
Ela observou que Berkeley Lab e UC Berkeley, com sua especialização em teorias de matéria escura, experimentos e detectores de ponta e P & D, estão prestes a causar um grande impacto nesta área emergente da caça à matéria escura.
Destaques do relatório precisam procurar por matéria escura “light” de baixa massa
A pesquisa relacionada à matéria escura de Zurek e outros pesquisadores do Berkeley Lab é destacada em um relatório do DOE, “Necessidades de Pesquisa Básica para Pequenos Projetos de Matéria Escura Novas Iniciativas”, baseado em outubro de 2018 Workshop de Física de Alta Energia sobre Matéria Negra. Zurek e Dan McKinsey, um cientista sênior do Berkeley Lab e professor de física da UC Berkeley, atuaram como co-líderes em um painel de workshop focado nas técnicas de detecção direta de matéria escura, e esse painel contribuiu para o relatório.
O relatório propõe um foco em experimentos de pequena escala – com custos de projeto variando de US $ 2 milhões a US $ 15 milhões – para procurar por partículas de matéria escura com massa menor que um próton. Os prótons são partículas subatômicas dentro de cada núcleo atômico que pesam cerca de 1.850 vezes mais do que um elétron.
Este novo esforço de busca de massa menor terá “o objetivo abrangente de finalmente entender a natureza da matéria escura do universo”, afirma o relatório.
Em um esforço relacionado, o Departamento de Energia dos EUA solicitou este ano propostas para novos experimentos de matéria escura, com prazo de 30 de maio, e o Berkeley Lab participou do processo de proposta, disse a McKinsey.
“Berkeley é uma meca da matéria escura” que está preparada para participar dessa busca expandida, disse ele. A McKinsey participou de grandes experimentos de matéria escura de detecção direta, incluindo LUX e LUX-ZEPLIN, e também está trabalhando em técnicas de detecção de matéria escura de baixa massa.
3 prioridades na pesquisa expandida
O relatório destaca três grandes direções prioritárias de pesquisa na busca de matéria escura de baixa massa que “são necessárias para alcançar uma ampla sensibilidade e … alcançar diferentes marcos-chave”:
- Crie e detecte partículas de matéria escura abaixo da massa de prótons e forças associadas, alavancando os aceleradores DOE que produzem feixes de partículas energéticas. Esses experimentos podem nos ajudar a entender as origens da matéria escura e explorar suas interações com a matéria comum, afirma o relatório.
- Detectar partículas individuais de matéria escura galáctica – até uma massa medindo cerca de 1 trilhão de vezes menor que a de um próton – por meio de interações com detectores ultrassensíveis avançados. O relatório observa que já existem áreas experimentais subterrâneas e equipamentos que poderiam ser usados ??para apoiar esses novos experimentos.
- Detectar ondas de matéria escura galáctica usando detectores ultrassensíveis avançados, com ênfase no chamado eixo QCD (quantum chromodynamics). Avanços na teoria e tecnologia agora permitem aos cientistas sondar a existência deste tipo de matéria escura baseada no eixo em todo o espectro de sua faixa de massa ultraleve esperada, fornecendo “um vislumbre dos primeiros momentos na origem do universo e das leis”. da natureza em altíssimas energias e temperaturas “, afirma o relatório.
Este axion, se existir, poderia também ajudar a explicar as propriedades associadas à força forte do universo, que é responsável por manter a maior parte da matéria unida – ele une partículas no núcleo de um átomo, por exemplo.
Pesquisas pela forma tradicional de matéria escura WIMP aumentaram em sensibilidade cerca de 1.000 vezes na última década.
Cientistas de Berkeley estão construindo experimentos de protótipos
Os pesquisadores do Berkeley Lab e do UC Berkeley inicialmente se concentrarão em cristais líquidos de hélio e arsenieto de gálio na busca por interações de partículas de matéria escura de baixa massa em experimentos de laboratório de protótipos que estão sendo desenvolvidos na UC Berkeley.
“O desenvolvimento de materiais também faz parte da história, e também pensa em diferentes tipos de excitações” em materiais detectados, disse Zurek.
Além do arseneto líquido de hélio e gálio, os materiais que poderiam ser usados ??para detectar partículas de matéria escura são diversos, “e as estruturas neles vão permitir que você se junte a candidatos diferentes à matéria escura”, disse ela. “Eu acho que a diversidade de alvos é extremamente importante”.
O objetivo desses experimentos, que devem começar nos próximos meses, é desenvolver a tecnologia e as técnicas para que possam ser ampliados para experimentos subterrâneos profundos em outros locais que fornecerão proteção adicional contra a chuva natural de partículas. “ruído” chovendo do sol e outras fontes.
McKinsey, que está trabalhando nos experimentos de protótipos da UC Berkeley, disse que o experimento de hélio líquido irá procurar quaisquer sinais de partículas de matéria escura causando recuo nuclear – um processo através do qual uma interação de partículas dá ao núcleo de um átomo um leve choque Os pesquisadores esperam que possam ser amplificados e detectados.
Um dos experimentos busca medir as excitações das interações da matéria escura que levam à evaporação mensurável de um único átomo de hélio.
“Se uma partícula de matéria escura se espalha (em hélio líquido), você fica com uma bolha de excitação”, disse McKinsey. “Você pode obter milhões de excitações na superfície – você recebe um grande sinal de calor”.
Ele observou que os átomos em hélio líquido e os cristais de arsenieto de gálio têm propriedades que lhes permitem acender ou “cintilar” nas interações de partículas. Os pesquisadores usarão inicialmente detectores de luz mais convencionais, conhecidos como tubos fotomultiplicadores, e passarão para detectores de próxima geração mais sensíveis.
“Basicamente, no próximo ano, estaremos estudando sinais luminosos e sinais de calor”, disse McKinsey. “A relação entre o calor e a luz nos dará uma idéia do que cada evento é”.
Essas primeiras investigações determinarão se as técnicas testadas podem ser eficazes na detecção de matéria escura de baixa massa em outros locais que proporcionam um ambiente com menos ruído. “Achamos que isso nos permitirá testar limites de energia muito menores”, disse ele.
Novas ideias possibilitadas pela nova tecnologia
O relatório também observa uma grande variedade de outras abordagens para a busca de matéria escura de baixa massa.
“Há toneladas de tecnologias diferentes e legais por aí”, mesmo para além daquelas cobertas no relatório, que estão usando ou propondo maneiras diferentes de encontrar matéria escura de baixa massa, disse a McKinsey. Alguns deles dependem da medição de uma única partícula de luz, chamada de fóton, enquanto outros dependem de sinais de um único núcleo atômico ou de um elétron, ou de uma vibração coletiva muito leve em átomos, conhecida como fônon.
Em vez de classificar as propostas existentes, o relatório pretende “casar a justificativa científica com as possibilidades e os aspectos práticos. Temos motivação porque temos ideias e temos a tecnologia. Isso é o que é empolgante”.
Ele acrescentou: “A física é a arte do possível”.
Publicado em 11/06/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-06-dark-lighter-small-broaden.html
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