Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Stanford está em uma missão para identificar a matéria escura de uma vez por todas. Mas primeiro, eles precisarão construir o rádio mais sensível do mundo.

"A matéria escura é a maior parte da matéria em nosso universo. Não sabemos o que é, mas sabemos que está lá porque podemos ver seus efeitos gravitacionais, "explicou Peter Graham, professor associado de física na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford e um dos líderes dessa busca pela matéria escura. "Também sabemos que deve ser feito de uma partícula totalmente diferente com propriedades diferentes de qualquer coisa que já encontramos."

Graham e Savas Dimopoulos, o professor da família Hamamoto em física em Stanford, desenvolveram teorias sobre a matéria escura que defendem experimentos de alta precisão focados em encontrar áxions, partículas teorizadas que estão entre as candidatas mais prováveis ​​à matéria escura. Suas teorias - antes consideradas "interessantes, mas disponíveis, "de acordo com Graham - estão ganhando popularidade à medida que outros candidatos para matéria escura são descartados e novas tecnologias estão tornando seus experimentos exatos possíveis. Agora, a Fundação Gordon e Betty Moore concedeu aos pesquisadores de Stanford cerca de US $ 2,5 milhões para prototipar um novo tipo de sensor de matéria escura .

Guiado pelas teorias de Graham e Dimopoulos, Kent Irwin, um professor de física, de física de partículas e astrofísica e da ciência de fótons em Stanford e SLAC National Accelerator Laboratory, está construindo o Dark Matter Radio, que irá procurar o sinal de axions da mesma forma que um rádio AM padrão capta uma transmissão. Como uma estação de rádio AM, axion matéria escura tem uma frequência precisa, mas esta frequência é desconhecida. Devido aos avanços nos sensores quânticos, o rádio será muito mais sensível do que os experimentos anteriores de matéria escura, e capaz de escanear uma grande faixa de frequências que têm maior probabilidade de revelar axions.

"Este projeto é um exemplo realmente lindo de pessoas com conhecimentos muito diferentes se reunindo para resolver um problema difícil, "disse Risa Wechsler, diretor do Instituto Kavli de Astrofísica e Cosmologia de Partículas (KIPAC) e professor de física e de física de partículas e astrofísica. "A matéria escura é 85 por cento da massa do universo e acho muito improvável que existiríamos sem ela. O que é empolgante sobre esse experimento é que ele abre muito espaço de descoberta que antes era inacessível."

Mesmo que os pesquisadores não encontrem o áxion, seu trabalho teria a distinção de pesquisar uma fração significativa de sua faixa de frequência possível. Os pesquisadores também estão entusiasmados em ver como o desenvolvimento de seus sensores contribuirá para aplicações spinoff em vários campos.

The Dark Matter Radio

A matéria escura constitui a maior parte da massa do universo, mas teoriza-se que cada axião tem uma massa tão baixa - caindo na categoria de matéria escura ultraleve - que pode se espalhar por quilômetros. Mecânica quântica, que é o estudo do comportamento de partículas extremamente pequenas, afirma que cada partícula também se comporta como uma onda. Então, se axions existem, eles estão ondulando ao nosso redor como um sinal de rádio. A equipe do Dark Matter Radio irá procurar a frequência que transporta o sinal das ondulações em forma de onda deste oceano de axions sobrepostos.

O primeiro truque é converter as ondas axion em ondas de rádio - realizadas por um forte campo magnético dentro do Dark Matter Radio. O Dark Matter Radio também é cercado por um escudo supercondutor de nióbio que bloqueia os sinais de rádio regulares, mas deixará os machados passar.

Mesmo com todas essas melhorias, axions emitirão um sinal muito fraco. Então, a sintonia do rádio deve ser incrivelmente nítida - o equivalente a um rádio de carro que pode detectar estações separadas por um milionésimo de uma casa decimal. Como parte da obtenção desse nível de sensibilidade e precisão, Irwin está trabalhando com um novo tipo de sensor quântico que é capaz de captar sinais magnéticos cem milhões de trilhões de vezes menor do que o produzido por um ímã de geladeira típico.

"Houve um avanço na capacidade de controle, criar e manipular estados quânticos de maneiras que nos permitam tirar proveito da teoria que existe há muitas décadas, "disse Irwin." Estas são algumas das mesmas técnicas que estão sendo usadas para desenvolver computadores quânticos. Em vez de usá-los para calcular, podemos medir as coisas com muito mais sensibilidade e precisão do que podíamos antes, e as técnicas que estamos usando terão amplas aplicações. "

Os mesmos sensores quânticos que os pesquisadores estão construindo no rádio também podem aumentar a precisão das técnicas de varredura médica que medem as propriedades dos campos magnéticos e elétricos no corpo humano.

Além do quadro branco

Até aqui, os pesquisadores construíram com sucesso um protótipo do tamanho de uma lata de refrigerante do rádio de matéria escura que funciona como um rádio AM extra-sensível. Eles estão atualmente trabalhando em uma versão maior que será capaz de escanear todas as frequências de interesse com sensibilidade suficiente para medir a matéria escura dos áxions.

"A maioria das ideias que nós, teóricos, falham antes mesmo de chegarem a algum lugar, por isso foi muito importante ver essa ideia maluca que tínhamos em um quadro branco se tornar uma coisa física, "disse Graham." Os experimentalistas, como Kent, ainda tem muito trabalho pela frente, mas para mim, parece o culminar de tantos anos de trabalho. O Dark Matter Radio vai ser real. Isso vai acontecer. "