Os cientistas estão certos de que existe matéria escura. Ainda, depois de mais de 50 anos de pesquisa, eles ainda não têm nenhuma evidência direta da substância misteriosa.

Swati Singh, da Universidade de Delaware, está entre um pequeno grupo de pesquisadores da comunidade de matéria escura que começou a se perguntar se estão procurando o tipo certo de matéria escura.

"E se a matéria escura for muito mais leve do que os experimentos tradicionais de física de partículas estão procurando?" disse Singh, professor assistente de engenharia elétrica e da computação na UD.

Agora, Singh, Jack Manley, um estudante de doutorado UD, e colaboradores da University of Arizona e Haverford College propuseram uma nova maneira de procurar as partículas que podem constituir a matéria escura, reaproveitando a tecnologia de sensor de mesa existente. A equipe relatou recentemente sua abordagem em um artigo publicado em Cartas de revisão física .

Os co-autores do artigo incluem Dalziel Wilson, um professor assistente de ciências ópticas do Arizona, Mitul Dey Chowdhury, um estudante de doutorado no Arizona, e Daniel Grin, professor assistente de física no Haverford College.

Não importa

Singh explicou que se você somar todas as coisas que emitem luz, como estrelas, planetas e gás interestelar, representa apenas cerca de 15% da matéria do universo. Os outros 85% são conhecidos como matéria escura. Não emite luz, mas os pesquisadores sabem que existe por seus efeitos gravitacionais. Eles também sabem que não é um assunto comum, como gás, pó, estrelas, planetas e nós.

"Pode ser feito de buracos negros, ou pode ser feito de algo trilhões de vezes menor que um elétron, conhecido como matéria escura ultraleve, "disse Singh, uma teórica quântica conhecida por seus esforços pioneiros para impulsionar a detecção mecânica de matéria escura.

Uma possibilidade é que a matéria escura seja composta de fótons escuros, um tipo de matéria escura que exerceria uma fraca força oscilante na matéria normal, fazendo com que uma partícula se mova para frente e para trás. Contudo, uma vez que a matéria escura está em toda parte, exerce essa força sobre tudo, tornando difícil medir esse movimento.

Singh e seus colaboradores disseram que acham que podem superar esse obstáculo usando acelerômetros optomecânicos como sensores para detectar e amplificar essa oscilação.

"Se a força for dependente do material, ao usar dois objetos compostos de materiais diferentes, a quantidade que eles são forçados será diferente, o que significa que você seria capaz de medir a diferença de aceleração entre os dois materiais, "disse Manley, o autor principal do artigo.

Wilson, um experimentalista quântico e um dos colaboradores da equipe UD, comparou um acelerômetro optomecânico a um diapasão em miniatura. "É um dispositivo vibratório que, devido ao seu pequeno tamanho, é muito sensível a perturbações do ambiente, " ele disse.

Agora, os pesquisadores propuseram um experimento usando uma membrana feita de nitreto de silício e um espelho fixo de berílio para refletir a luz entre as duas superfícies. Se a distância entre os dois materiais mudar, os pesquisadores saberiam pela luz refletida que fótons escuros estavam presentes porque o nitreto de silício e o berílio têm propriedades materiais diferentes.

A colaboração foi uma parte fundamental do desenvolvimento do projeto do experimento, de acordo com Manley. Ele e Singh (teóricos) trabalharam com Wilson e Dey Chowdhury (experimentalistas) nos cálculos teóricos que entraram no projeto detalhado para construir seu sensor acelerômetro de mesa proposto. Enquanto isso, Sorriso, um cosmologista, ajudou a lançar luz sobre os aspectos da física de partículas da matéria escura ultraleve, como por que seria ultraleve, por que ele pode se acoplar aos materiais de forma diferente e como pode ser produzido.

Como teórico, Manley disse que a oportunidade de aprender mais sobre como os dispositivos funcionam e como os experimentalistas constroem coisas para provar as teorias que ele e Singh desenvolveram aprofundou sua experiência e, ao mesmo tempo, ampliou sua exposição a possíveis caminhos de carreira.

Um crescente corpo de trabalho

Mais importante, este último trabalho baseia-se em pesquisas publicadas anteriormente pelas equipes colaboradoras, relatado no verão passado em Cartas de revisão física . O papel, que incluiu contribuições do ex-aluno de graduação da UD Russell Stump, mostraram que vários dispositivos existentes e em escala de laboratório de curto prazo são sensíveis o suficiente para detectar, ou descartar, possíveis partículas que poderiam ser matéria escura ultraleve.

A pesquisa relatou que certos tipos de matéria escura ultraleve se conectariam, ou casal, com matéria normal de uma forma que causaria uma mudança periódica no tamanho dos átomos. Embora pequenas flutuações no tamanho de um único átomo possam ser difíceis de notar, o efeito é amplificado em um objeto composto de muitos átomos, e amplificação adicional pode ser alcançada se esse objeto for um ressonador acústico. A colaboração avaliou o desempenho de vários ressonadores feitos de diversos materiais, desde hélio superfluido a safira monocristalina, e descobri que esses sensores podem ser usados ​​para detectar o sinal de tensão induzida pela matéria escura.

Ambos os projetos foram apoiados em parte pelo financiamento de Singh da National Science Foundation para explorar ideias emergentes sobre o uso de dispositivos quânticos de última geração para detectar fenômenos astrofísicos com tecnologias de mesa que são menores e mais baratas do que outros métodos.

Juntos, Singh disse, esses artigos estendem o corpo de trabalho sobre o que se sabe sobre as possíveis maneiras de detectar a matéria escura e sugerem a possibilidade de uma nova geração de experimentos de mesa.

Singh e Manley estão trabalhando com outros grupos experimentais, também, desenvolver sensores de mesa adicionais para procurar por matéria escura ou outros sinais astrofísicos fracos. Eles também estão cultivando ativamente discussões mais amplas sobre este tópico dentro das comunidades de matéria escura e sensores quânticos.

Por exemplo, Singh discutiu recentemente os avanços da instrumentação transformacional em detectores de física de partículas em um workshop virtual organizado pelo Painel Coordenador de Detectores Avançados (CPAD) do Departamento de Energia. Ela também apresentou esses resultados em um workshop especial durante a reunião de abril da American Physical Society.

"É um momento emocionante, e estou aprendendo muito com as perguntas feitas por cientistas de diversas origens nesses workshops, "disse Singh." Mas é importante notar que minhas idéias de pesquisa mais originais ainda surgem de perguntas feitas por alunos curiosos. "