p Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas propuseram um novo método para encontrar matéria escura, o material misterioso do cosmos que escapou à detecção por décadas. A matéria escura representa cerca de 27% do universo; assunto comum, como o material que constrói estrelas e planetas, representa apenas 5% do cosmos. (Uma entidade misteriosa chamada energia escura é responsável pelos outros 68%.) p De acordo com cosmologistas, todo o material visível no universo está meramente flutuando em um vasto mar de matéria escura - partículas que são invisíveis, mas ainda assim têm massa e exercem uma força gravitacional. A gravidade da matéria escura forneceria a cola que faltava para evitar que as galáxias se desintegrassem e explicaria como a matéria se agrupou para formar a rica tapeçaria galáctica do universo.

p O experimento proposto, em que pêndulos de um bilhão de milímetros atuariam como sensores de matéria escura, seria o primeiro a caçar a matéria escura apenas por meio de sua interação gravitacional com a matéria visível. O experimento seria um dos poucos a pesquisar partículas de matéria escura com uma massa tão grande quanto a de um grão de sal, uma escala raramente explorada e nunca estudada por sensores capazes de registrar pequenas forças gravitacionais.

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p Experimentos anteriores buscaram a matéria escura procurando por sinais não gravitacionais de interações entre as partículas invisíveis e certos tipos de matéria comum. Esse tem sido o caso de pesquisas por um tipo hipotético de matéria escura chamada WIMP (partículas massivas de interação fraca), que foi um dos principais candidatos para o material invisível por mais de duas décadas. Os físicos procuraram evidências de que, quando os WIMPs ocasionalmente colidem com substâncias químicas em um detector, eles emitem luz ou expelem carga elétrica.

p Os pesquisadores em busca de WIMPs dessa forma chegaram de mãos vazias ou obtiveram resultados inconclusivos; as partículas são muito leves (teorizadas para variar em massa entre a de um elétron e de um próton) para serem detectadas por meio de seu puxão gravitacional.

p Com a busca por WIMPs aparentemente em suas últimas etapas, pesquisadores do NIST e seus colegas estão considerando agora um método mais direto para procurar partículas de matéria escura que têm uma massa mais pesada e, portanto, exercem uma força gravitacional grande o suficiente para serem detectadas.

p "Nossa proposta se baseia puramente no acoplamento gravitacional, o único acoplamento que sabemos com certeza que existe entre a matéria escura e a matéria luminosa comum, "disse o co-autor do estudo Daniel Carney, um físico teórico associado ao NIST, o Joint Quantum Institute (JQI) e o Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) da University of Maryland em College Park, e o Laboratório Nacional do Acelerador Fermi.

p Os pesquisadores, que também incluem Jacob Taylor do NIST, JQI e QuICS; Sohitri Ghosh de JQI e QuICS; e Gordan Krnjaic do Fermi National Accelerator Laboratory, calcular que seu método pode pesquisar partículas de matéria escura com uma massa mínima de cerca da metade de um grão de sal, ou cerca de um bilhão de bilhões de vezes a massa de um próton. Os cientistas relatam suas descobertas hoje em Revisão Física D .

p Porque a única coisa desconhecida no experimento é a massa da partícula de matéria escura, não como se acopla à matéria comum, "se alguém construir o experimento que sugerimos, eles encontram matéria escura ou descartam todos os candidatos de matéria escura em uma ampla gama de massas possíveis, "disse Carney. O experimento seria sensível a partículas que variam de cerca de 1/5, 000 de um miligrama a alguns miligramas.

p Essa escala de massa é particularmente interessante porque cobre a chamada massa de Planck, uma quantidade de massa determinada apenas por três constantes fundamentais da natureza e equivalente a cerca de 1/5, 000 de um grama.

p Carney, Taylor e seus colegas propõem dois esquemas para seu experimento de matéria escura gravitacional. Ambos envolvem minúsculo, Dispositivos mecânicos de tamanho milimétrico atuando como detectores gravitacionais extremamente sensíveis. Os sensores seriam resfriados a temperaturas um pouco acima do zero absoluto para minimizar o ruído elétrico relacionado ao calor e protegidos dos raios cósmicos e outras fontes de radioatividade. Em um cenário, uma miríade de pêndulos altamente sensíveis se desviaria ligeiramente em resposta ao puxão de uma partícula de matéria escura que passasse.

p Dispositivos semelhantes (com dimensões muito maiores) já foram empregados na recente detecção ganhadora do Prêmio Nobel de ondas gravitacionais, ondulações na estrutura do espaço-tempo previstas pela teoria da gravidade de Einstein. Espelhos cuidadosamente suspensos, que agem como pêndulos, mover-se menos do que o comprimento de um átomo em resposta à passagem de uma onda gravitacional.

p Em outra estratégia, os pesquisadores propõem o uso de esferas levitadas por um campo magnético ou contas levitadas por luz laser. Neste esquema, a levitação é desligada quando o experimento começa, de modo que as esferas ou contas fiquem em queda livre. A gravidade de uma partícula de matéria escura que passa perturbaria levemente o caminho dos objetos em queda livre.

p "Estamos usando o movimento de objetos como nosso sinal, "disse Taylor." Isto é essencialmente diferente de todos os detectores de física de partículas lá fora. "

p Os pesquisadores calculam que uma matriz de cerca de um bilhão de minúsculos sensores mecânicos distribuídos em um metro cúbico é necessária para diferenciar uma partícula de matéria escura de uma partícula comum ou de sinais elétricos aleatórios espúrios ou "ruído" acionando um alarme falso nos sensores. Partículas subatômicas comuns, como nêutrons (interagindo por meio de uma força não gravitacional), paravam mortas em um único detector. Em contraste, os cientistas esperam uma partícula de matéria escura, passando zunindo pela matriz como um asteróide em miniatura, balançaria gravitacionalmente todos os detectores em seu caminho, um após o outro.

p O ruído faria com que os detectores individuais se movessem aleatoriamente e independentemente, em vez de sequencialmente, como faria uma partícula de matéria escura. Como um bônus, o movimento coordenado de um bilhão de detectores revelaria a direção em que a partícula de matéria escura se dirigia ao passar pela matriz.

p Para fabricar tantos sensores minúsculos, a equipe sugere que os pesquisadores podem querer emprestar técnicas que as indústrias automotiva e de smartphones já usam para produzir um grande número de detectores mecânicos.

p Graças à sensibilidade dos detectores individuais, os pesquisadores que empregam a tecnologia não precisam se limitar ao lado negro. Uma versão em menor escala do mesmo experimento poderia detectar as forças fracas de ondas sísmicas distantes, bem como da passagem de partículas subatômicas comuns, como neutrinos e simples, fótons de baixa energia (partículas de luz).

p O experimento em menor escala pode até mesmo caçar partículas de matéria escura - se eles derem um chute grande o suficiente para os detectores por meio de uma força não gravitacional, como alguns modelos prevêem, Carney disse.

p "Estamos estabelecendo o objetivo ambicioso de construir um detector gravitacional de matéria escura, mas a P&D necessária para alcançar isso abriria a porta para muitas outras medições de detecção e metrologia, "disse Carney.

p Pesquisadores de outras instituições já começaram a conduzir experimentos preliminares usando o projeto da equipe do NIST.