Pelo menos um quarto do universo é invisível.

Ao contrário dos raios-x que a olho nu não pode ver, mas o equipamento pode medir, os cientistas ainda não detectaram a matéria escura após três décadas de pesquisas, mesmo com os instrumentos mais sensíveis do mundo. Mas a matéria escura é tão fundamental para a física que cientistas apoiados pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia estão procurando por ela em alguns dos locais mais isolados do mundo, do subsolo profundo para o espaço sideral.

"Sem matéria escura, é possível que não existíssemos, "disse Michael Salamon, um gerente do programa DOE Office of Science Física de Altas Energias (HEP).

O Office of Science apóia um programa abrangente na caça à matéria escura e outros fenômenos que ajudam os cientistas a entender melhor como o universo funciona em seu nível mais fundamental.

Traços da influência da matéria negra

O que sabemos sobre a matéria escura vem das maneiras como ela influenciou o universo quase desde o Big Bang. Como pegadas deixadas por um animal esquivo, o cosmos está cheio de sinais da existência de matéria escura, mas não vimos realmente a própria criatura.

O astrônomo Fritz Zwicky descobriu a matéria escura em 1933, quando examinava o aglomerado de galáxias Coma. Ele percebeu que eles estavam emitindo muito menos luz do que deveriam, considerando sua massa. Depois de fazer alguns cálculos, ele percebeu que a maior parte da massa do aglomerado não estava emitindo luz ou radiação eletromagnética.

Mas não foi apenas aquele cluster. Hoje, sabemos que a matéria visível representa apenas cinco por cento da massa-energia total do universo. (Como a famosa equação de Einstein, E =mc2, diga-nos, os conceitos de matéria e energia estão intrinsecamente ligados.) A matéria escura representa cerca de um quarto da massa-energia total, enquanto a energia escura compreende o resto.

Desde a descoberta inicial de Zwicky, os cientistas encontraram vários outros sinais reveladores. Examinando a rotação das galáxias na década de 1970, a astrônoma Vera Rubin percebeu que eles não se movem da maneira que "deveriam" se existir apenas matéria visível. Sua descoberta do problema de rotação da galáxia fornece algumas das evidências mais fortes da existência da matéria escura. De forma similar, radiação cósmica de fundo, que tem um registro do universo primitivo impresso nele, reflete a presença da matéria escura.

Os cientistas pensam que a matéria escura é provavelmente composta de uma partícula elementar inteiramente nova que ficaria fora do modelo padrão em que todas as partículas atualmente conhecidas se encaixam. Ele interagiria apenas fracamente com outras partículas conhecidas, tornando muito difícil de detectar. Existem duas partículas principais que os teóricos postularam para descrever as características da matéria escura:WIMPs e axions.

Partículas maciças de interação fraca (WIMPs) seriam eletricamente neutras e 100 para 1, 000 vezes mais massa do que um próton. Os axions não teriam carga elétrica e seriam extraordinariamente leves - possivelmente tão baixos quanto um trilionésimo da massa de um elétron.

Na caça à matéria escura

Não só a matéria escura não emite luz ou radiação eletromagnética, nem mesmo interage com eles. Na verdade, o único meio pelo qual os cientistas têm certeza de que a matéria escura interage com a matéria comum é por meio da gravidade. É por isso que milhões de partículas de matéria escura passam pela matéria normal sem que ninguém perceba. Para capturar até o mais ínfimo vislumbre, os cientistas estão usando alguns dos equipamentos mais sofisticados do mundo.

O Grande Experimento Subterrâneo de Xenon e Detecção Direta

O experimento Large Underground Xenon (LUX), que funcionou por quase dois anos e terminou em maio de 2016, foi um dos esforços mais significativos para detectar diretamente a matéria escura.

A detecção direta de uma partícula de matéria escura exige que ela esbarre em um núcleo (o núcleo de um átomo) de matéria comum. Se isso ocorrer, o núcleo emitiria apenas um pouco de energia detectável. Contudo, a probabilidade dessas partículas colidirem é incrivelmente baixa.

Além disso, A superfície da Terra tem uma quantidade extraordinária de "ruído" radioativo. Tentar detectar interações de matéria escura na superfície é como tentar ouvir alguém sussurrar na sala de uma pré-escola barulhenta.

Para aumentar as chances de detectar uma partícula de matéria escura e apenas uma partícula de matéria escura, O LUX era enorme e estava localizado a mais de um quilômetro abaixo do solo. Com um terço de uma tonelada de xenônio líquido resfriado cercado por 72, 000 galões de água e sensores poderosos, LUX teve a melhor sensibilidade do mundo para WIMPs. Ele poderia ter detectado uma partícula com massa variando de algumas vezes até 1.800 vezes a massa de um próton. Apesar de tudo isso, O LUX nunca capturou eventos suficientes para fornecer fortes evidências da presença da matéria escura.

LUX era o que o HEP chama de experimento de detecção direta da "Geração 1". Outros experimentos de detecção direta da "Geração 1" atualmente em execução e apoiados pelo Office of Science estão tomando uma direção um pouco diferente. O PICO 60, Darkside-50, e experimentos SuperCDMS-Soudan, por exemplo, procurar WIMPs, enquanto o ADMX-2adetector caçava o outro candidato potencial de matéria escura, o axion.

Existem também experimentos de detecção direta da "Geração 2" atualmente em desenvolvimento, fabricação, ou comissionamento, incluindo o LUX-Zeplin (LZ), Super CDMS-SNOLAB, e ADMX-Gen2.

O espectrômetro magnético alfa e detecção indireta

Além disso, existem experimentos com foco na detecção indireta.

Alguns teóricos propõem que a colisão de partículas de matéria escura pode aniquilar umas às outras e produzir duas ou mais partículas "normais". Em teoria, colidir com WIMPs pode produzir pósitrons. (Um pósitron é a contraparte de antimatéria carregada positivamente para o elétron.) O Espectrômetro Alfa Magnético na Estação Espacial Internacional captura os raios cósmicos, pedaços de átomos acelerados para altas energias pela explosão de estrelas. Se o AMS detecta um grande número de pósitrons em um espectro de alta energia onde eles normalmente não estariam, pode ser um sinal de matéria escura.

"AMS é um belo instrumento, "disse Salamon." Todos reconhecem que este é o experimento de raios cósmicos de maior precisão do mundo no espaço. "

Até aqui, o AMS registrou 25 bilhões de eventos. Encontrou-se um excesso de pósitrons dentro da faixa apropriada, mas não há evidências suficientes para afirmar definitivamente onde os pósitrons se originam. Existem outras fontes possíveis, como pulsares.

Além do AMS, O DOE também suporta o Telescópio Espacial Fermi Gamma-Ray, que analisa os raios gama à medida que circunda o globo e pode oferecer outra rota para a detecção de matéria escura.

Produção de matéria escura no Grande Colisor de Hádrons

Em teoria, um acelerador de partículas poderia criar matéria escura colidindo partículas padrão em altas energias. Embora o acelerador não fosse capaz de detectar a própria matéria escura, ele poderia procurar por energia "ausente" produzida por tal interação. Cientistas do Grande Colisor de Hádrons, o maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo, estão adotando essa abordagem.

Lições aprendidas e o futuro da pesquisa

Até aqui, nem um único experimento produziu um traço definitivo de matéria escura.

Mas esses experimentos não falharam - na verdade, muitos tiveram bastante sucesso. Em vez de, eles estreitaram nosso campo de pesquisa. Buscar a matéria escura é como procurar um objeto perdido em sua casa. Conforme você caça em cada sala, você elimina sistematicamente os lugares onde o objeto poderia estar.

Em vez de salas, os cientistas estão procurando por matéria escura em uma gama de intensidades e massas de interação. "À medida que os experimentos se tornam mais sensíveis, estamos começando a eliminar modelos teóricos, "disse Salamon.

A busca pela matéria escura está longe de terminar. Com cada bit de dados, chegamos mais perto de compreender esse aspecto onipresente, porém elusivo do universo.