Nova pesquisa em Cartas de Revisão Física (PRL ) propôs um novo método para detectar candidatos à matéria escura clara usando interferometria a laser para medir os campos elétricos oscilatórios gerados por esses candidatos.



A matéria escura é um dos desafios mais prementes da física moderna, sendo as partículas de matéria escura evasivas e difíceis de detectar. Isto levou os cientistas a encontrar formas novas e inovadoras de procurar estas partículas.

Existem vários candidatos para partículas de matéria escura, como WIMPs, partículas claras de matéria escura (áxions) e o hipotético gravitino. A matéria escura clara, incluindo partículas bosônicas como o áxion QCD (cromodinâmica quântica), tornou-se um ponto de interesse nos últimos anos.

Essas partículas normalmente têm interações suprimidas com o modelo padrão, tornando-as difíceis de detectar. No entanto, conhecer as suas características, incluindo o seu comportamento ondulatório e a sua natureza coerente às escalas galácticas, ajuda a conceber experiências mais eficientes.

Na nova PRL No estudo, pesquisadores da Universidade de Maryland e da Universidade Johns Hopkins propuseram o Galactic Axion Laser Interferometer Leveraging Electro-Optics ou GALILEO, uma nova abordagem para detectar matéria escura de áxions e fótons escuros em uma ampla faixa de massa.

O pesquisador principal Reza Ebadi, estudante de pós-graduação do Quantum Technology Center (QTC) da Universidade de Maryland, falou ao Phys.org sobre a pesquisa e sua motivação para desenvolver esta nova abordagem:"Embora o modelo padrão forneça explicações bem-sucedidas de fenômenos que variam desde distâncias subnucleares até o tamanho do universo, não é uma explicação completa da natureza."

"Ele não leva em conta as observações cosmológicas a partir das quais a existência de matéria escura é inferida. Aspiramos obter informações sobre as teorias físicas que operam em escalas galácticas usando experimentos de laboratório em pequena escala."

Áxions e partículas semelhantes a áxions

Axions e partículas semelhantes a axions foram inicialmente propostas para resolver problemas de física de partículas, como o problema de paridade de carga forte (CP). Este problema surge da observação de que a força forte não parece exibir um tipo particular de violação de simetria, chamada violação de CP, tanto quanto a teoria prevê que deveria.

Este quadro teórico dá origem naturalmente a partículas semelhantes a axiões, que partilham propriedades semelhantes às dos axiões, sendo ambos bósons.

Prevê-se que os áxions e partículas semelhantes a axions tenham massas muito baixas, normalmente variando de microelétron-volts a milielétron-volts. Isto os torna candidatos adequados para matéria escura clara, pois podem exibir comportamento ondulatório em escalas galácticas.

Além de sua baixa massa, os áxions e as partículas semelhantes a axions interagem muito fracamente com a matéria comum, tornando-os difíceis de detectar por meios convencionais.

Estas são algumas das razões pelas quais os pesquisadores optaram por detectar essas partículas em sua configuração experimental. No entanto, o método depende de campos eléctricos oscilatórios produzidos por estas partículas.

Em regiões com densidade significativa de matéria escura, áxions e ALPs podem sofrer oscilações coerentes. Estas oscilações coerentes podem dar origem a sinais detectáveis, tais como campos eléctricos oscilatórios, que a experiência proposta do GALILEO pretende medir.

GALILEU

"Os candidatos à matéria escura clara comportam-se como ondas na vizinhança solar. Prevê-se que essas ondas de matéria escura induzam campos eléctricos oscilantes muito fracos com campos magnéticos devido às suas minúsculas interacções com o electromagnetismo."

“Nós nos concentramos na detecção do campo elétrico e não no campo magnético, que é o sinal alvo na maioria dos experimentos atuais e propostos”, explicou Ebadi.

Os campos elétricos induzidos pela matéria escura clara podem ser detectados usando materiais eletro-ópticos, onde o campo elétrico externo modifica as propriedades do material, como o índice de refração.

O GALILEO utiliza um interferômetro Michelson assimétrico, um dispositivo que pode medir as mudanças no índice de refração. Um braço do interferômetro contém o material eletro-óptico.

Quando um feixe de laser de sonda é dividido e enviado através dos dois braços do interferômetro, o braço que contém o material eletro-óptico introduz um índice de refração variável. Esta mudança no índice de refração afeta a fase do feixe de laser, resultando em um sinal oscilante quando os feixes são mesclados novamente.

Ao medir a velocidade de fase diferencial entre os dois braços do interferômetro, o GALILEO pode detectar a frequência de oscilação induzida pela matéria clara e escura. Este sinal oscilatório serve como assinatura da presença de partículas de matéria escura.

A sensibilidade do método pode ser aumentada incorporando cavidades de Fabry-Perot (que aumentam o comprimento do braço do interferômetro, permitindo maior precisão) e realizando repetidas medições independentes.

Interferometria laser e implementação do GALILEO

A pesquisa conta com medições de precisão por interferometria a laser.

Ebadi explicou:"Um excelente exemplo de como os interferômetros a laser podem ser usados ​​para medições de precisão é o LIGO, o detector de ondas gravitacionais baseado no solo."

"Nossa proposta usa avanços tecnológicos semelhantes ao LIGO, como cavidades de Fabry-Perot ou luz comprimida para suprimir o limite de ruído quântico. No entanto, ao contrário do LIGO, o interferômetro GALILEO proposto é um dispositivo em escala de mesa."

Embora o trabalho seja teórico, os pesquisadores já têm planos de implementar passo a passo o programa experimental.

É importante ressaltar que eles desejam determinar os parâmetros técnicos necessários para uma configuração experimental otimizada, que planejam usar para conduzir experimentos científicos em busca de matéria escura clara.

Além disso, Ebadi destaca a importância de operar cavidades Fabry-Perot de alta precisão ao lado de material eletro-óptico dentro da cavidade, bem como caracterizar o orçamento de ruído e a sistemática de configuração, que são aspectos cruciais do processo experimental.

"O GALILEO tem potencial para ser uma componente significativa da missão maior de explorar o vasto espaço teoricamente viável de candidatos à matéria escura," concluiu Ebadi.

Mais informações: Reza Ebadi et al, GALILEO:Galactic Axion Laser Interferometer Leveraging Electro-Optics, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.101001.
Informações do diário: Cartas de revisão física

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