Uma representação do design BREAD. A estrutura em forma de "Hershey's Kiss" canaliza sinais potenciais de matéria escura para o detector de cor cobre à esquerda. O detector é compacto o suficiente para caber em uma mesa. Crédito:Colaboração BREAD Um dos grandes mistérios da ciência moderna é a matéria escura. Sabemos que a matéria escura existe graças aos seus efeitos sobre outros objetos no cosmos, mas nunca fomos capazes de vê-la diretamente. E não é pouca coisa – atualmente, os cientistas pensam que representa cerca de 85% de toda a massa do universo.
Um novo experimento de uma colaboração liderada pela Universidade de Chicago e pelo Fermi National Accelerator Laboratory, conhecido como Broadband Reflector Experiment for Axion Detection ou BREAD, divulgou seus primeiros resultados na busca por matéria escura em um estudo publicado em Physical Cartas de revisão . Embora não tenham encontrado matéria escura, reduziram as restrições sobre onde ela poderia estar e demonstraram uma abordagem única que pode acelerar a busca pela substância misteriosa, com relativamente pouco espaço e custo.
“Estamos muito entusiasmados com o que conseguimos fazer até agora”, disse UChicago Assoc. Prof David Miller, co-líder do experimento ao lado de Andrew Sonnenschein do Fermilab, que originalmente desenvolveu o conceito do experimento. "Há muitas vantagens práticas neste design e já demonstramos a melhor sensibilidade até o momento nesta frequência de 11-12 gigahertz."
"Este resultado é um marco para o nosso conceito, demonstrando pela primeira vez o poder da nossa abordagem", disse Stefan Knirck, pesquisador de pós-doutorado do Fermilab e autor principal do estudo, que liderou a construção e operação do detector. "É ótimo fazer esse tipo de ciência criativa em escala de mesa, onde uma pequena equipe pode fazer tudo, desde a construção do experimento até a análise de dados, mas ainda assim ter um grande impacto na física moderna de partículas."
'Algo está aí'
Quando olhamos ao redor do universo, podemos ver que algum tipo de substância exerce gravidade suficiente para atrair estrelas e galáxias e passar luz, mas nenhum telescópio ou dispositivo jamais captou diretamente a fonte – daí o nome “matéria escura”.
No entanto, como ninguém nunca viu a matéria escura, nem sabemos exatamente como ela pode ser ou mesmo exatamente onde procurá-la. “Estamos muito confiantes de que algo existe, mas pode assumir muitas, muitas formas”, disse Miller.
Os cientistas mapearam várias das opções mais prováveis de locais e formas de observação. Normalmente, a abordagem tem sido construir detectores para pesquisar minuciosamente uma área específica (neste caso, um conjunto de frequências) a fim de descartá-la.
Mas uma equipe de cientistas explorou uma abordagem diferente. Seu design é de “banda larga”, o que significa que pode buscar um conjunto maior de possibilidades, embora com um pouco menos de precisão.
"Se pensarmos nisso como um rádio, a busca por matéria escura é como sintonizar o dial para procurar uma estação de rádio específica, exceto que há um milhão de frequências para verificar", disse Miller. "Nosso método é como fazer uma varredura de 100 mil estações de rádio, em vez de algumas minuciosamente."
Uma prova de conceito
O detector BREAD procura um subconjunto específico de possibilidades. Ele foi construído para procurar matéria escura na forma conhecida como “áxions” ou “fótons escuros” – partículas com massas extremamente pequenas que poderiam ser convertidas em um fóton visível nas circunstâncias certas.
Assim, o BREAD consiste em um tubo de metal contendo uma superfície curva que captura e canaliza fótons potenciais para um sensor em uma extremidade. A coisa toda é pequena o suficiente para caber em seus braços, o que é incomum para esse tipo de experimento. Na versão em escala real, o BREAD será colocado dentro de um ímã para gerar um forte campo magnético, o que aumenta as chances de converter partículas de matéria escura em fótons.
Para provar o princípio, porém, a equipe realizou o experimento sem ímãs. A colaboração executou o protótipo do dispositivo na UChicago por cerca de um mês e analisou os dados.
Os resultados são muito promissores, mostrando uma sensibilidade muito elevada na frequência escolhida, disseram os cientistas.
Desde os resultados publicados em Physical Review Letters foram aceitos, o BREAD foi movido para dentro de um ímã de ressonância magnética reaproveitado no Laboratório Nacional de Argonne e está coletando mais dados. Sua eventual sede, no Fermi National Accelerator Laboratory, usará um ímã ainda mais forte.
“Este é apenas o primeiro passo de uma série de experiências emocionantes que estamos a planear”, disse Sonnenschein. "Temos muitas ideias para melhorar a sensibilidade da nossa busca axion."
“Ainda existem muitas questões em aberto na ciência e um enorme espaço para novas ideias criativas para lidar com essas questões”, disse Miller. “Acho que este é um exemplo realmente marcante desse tipo de ideias criativas – neste caso, parcerias colaborativas e impactantes entre a ciência de menor escala nas universidades e a ciência de maior escala nos laboratórios nacionais”.
O instrumento BREAD foi construído no Fermilab como parte do programa de pesquisa e desenvolvimento de detectores do laboratório e depois operado na UChicago, onde os dados para este estudo foram coletados. O aluno de pós-graduação da UChicago, Gabe Hoshino, liderou a operação do detector, junto com os alunos de graduação Alex Lapuente e Mira Littmann.
O Laboratório Nacional de Argonne mantém uma instalação magnética que será usada na próxima etapa do programa de física BREAD. Outras instituições, incluindo o SLAC National Accelerator Laboratory, o Lawrence Livermore National Laboratory, o Illinois Institute of Technology, o MIT, o Jet Propulsion Laboratory, a University of Washington, Caltech e a University of Illinois at Urbana-Champaign, estão trabalhando com a UChicago e o Fermilab em P&D para versões futuras do experimento.
