O universo é um lugar surpreendentemente secreto. Substâncias misteriosas conhecidas como matéria escura e energia escura respondem por cerca de 95% dela. Apesar do grande esforço para descobrir o que são, simplesmente não sabemos.

Sabemos que a matéria escura existe por causa da atração gravitacional dos aglomerados de galáxias - a matéria que podemos ver em um aglomerado não é suficiente para mantê-la unida pela gravidade. Portanto, deve haver algum material extra lá, composta por partículas desconhecidas que simplesmente não são visíveis para nós. Várias partículas candidatas já foram propostas.

Os cientistas estão tentando descobrir o que são essas partículas desconhecidas observando como elas afetam a matéria comum que vemos ao nosso redor. Mas até agora tem se mostrado difícil, portanto, sabemos que ele interage apenas fracamente com a matéria normal, na melhor das hipóteses. Agora, meu colega Benjamin Varcoe e eu descobrimos uma nova maneira de sondar a matéria escura que pode ser bem-sucedida:usando átomos que foram estendidos para 4, 000 vezes maior do que o normal.

Átomos vantajosos

Percorremos um longo caminho desde a visão dos gregos dos átomos como os componentes indivisíveis de toda a matéria. O primeiro argumento baseado em evidências para a existência de átomos foi apresentado no início de 1800 por John Dalton. Mas foi só no início do século 20 que JJ Thomson e Ernest Rutherford descobriram que os átomos consistem em elétrons e um núcleo. Logo depois, Erwin Schrödinger descreveu o átomo matematicamente usando o que hoje é chamado de teoria quântica.

Experimentos modernos foram capazes de capturar e manipular átomos individuais com precisão excepcional. Esse conhecimento tem sido usado para criar novas tecnologias, como lasers e relógios atômicos, e os futuros computadores podem usar átomos únicos como seus componentes primários.

Os átomos individuais são difíceis de estudar e controlar porque são muito sensíveis a perturbações externas. Essa sensibilidade geralmente é um inconveniente, mas nosso estudo sugere que isso torna alguns átomos ideais como sondas para a detecção de partículas que não interagem fortemente com a matéria regular - como a matéria escura.

Nosso modelo é baseado no fato de que as partículas de interação fraca devem saltar do núcleo do átomo com o qual colidem e trocar uma pequena quantidade de energia com ele - semelhante à colisão entre duas bolas de bilhar. A troca de energia produzirá um deslocamento repentino do núcleo que será sentido pelo elétron. Isso significa que toda a energia do átomo muda, que podem ser analisados ​​para obter informações sobre as propriedades da partícula em colisão.

No entanto, a quantidade de energia transferida é muito pequena, portanto, um tipo especial de átomo é necessário para tornar a interação relevante. Descobrimos que o chamado "átomo de Rydberg" resolveria o problema. Estes são átomos com longas distâncias entre o elétron e o núcleo, o que significa que possuem alto potencial de energia. A energia potencial é uma forma de energia armazenada. Por exemplo, uma bola em uma prateleira alta tem energia potencial porque esta poderia ser convertida em energia cinética se cair da prateleira.

No laboratório, é possível capturar átomos e prepará-los em um estado Rydberg - tornando-os tão grandes quanto 4, 000 vezes o tamanho original. Isso é feito iluminando os átomos com um laser com luz em uma frequência muito específica.

Este átomo preparado é provavelmente muito mais pesado do que as partículas de matéria escura. Então, ao invés de uma bola de bilhar acertando outra, uma descrição mais apropriada seria uma bola de gude acertando uma bola de boliche. Parece estranho que os átomos grandes sejam mais perturbados pelas colisões do que os pequenos - pode-se esperar o oposto (coisas menores geralmente são mais afetadas quando ocorre uma colisão).

A explicação está relacionada a duas características dos átomos de Rydberg:eles são altamente instáveis ​​por causa de sua energia elevada, assim, pequenas perturbações os perturbariam mais. Também, devido à sua grande área, a probabilidade dos átomos interagirem com as partículas é aumentada, então eles sofrerão mais colisões.

Localizando a menor das partículas

Os experimentos atuais geralmente procuram por partículas de matéria escura tentando detectar sua dispersão de núcleos atômicos ou elétrons na Terra. Eles fazem isso procurando por elétrons leves ou livres em grandes tanques de gases nobres líquidos que são gerados pela transferência de energia entre a partícula de matéria escura e os átomos do líquido.

Mas, de acordo com as leis da mecânica quântica, é preciso haver uma certa transferência mínima de energia para que a luz seja produzida. Uma analogia seria uma partícula colidindo com uma corda de violão:ela produzirá uma nota que podemos ouvir, mas se a partícula for muito pequena, a corda não vibrará.

Portanto, o problema com esses métodos é que a partícula de matéria escura precisa ser grande o suficiente se quisermos detectá-la dessa maneira. Contudo, nossos cálculos mostram que os átomos de Rydberg serão perturbados de maneira significativa mesmo por partículas de baixa massa - o que significa que eles podem ser aplicados para procurar candidatos de matéria escura que outros experimentos não percebem. Uma dessas partículas é o Axion, uma partícula hipotética que é uma forte candidata à matéria escura.

Os experimentos exigiriam que os átomos fossem tratados com extremo cuidado, mas eles não precisarão ser feitos em uma instalação subterrânea profunda como outros experimentos, já que se espera que os átomos de Rydberg sejam menos suscetíveis aos raios cósmicos em comparação com a matéria escura.

Estamos trabalhando para melhorar ainda mais a sensibilidade do sistema, com o objetivo de estender a gama de partículas que pode ser capaz de perceber.

Além da matéria escura, também pretendemos um dia aplicá-la para a detecção de ondas gravitacionais, as ondulações no tecido do espaço previstas por Einstein há muito tempo. Essas perturbações do contínuo espaço-tempo foram descobertas recentemente, mas acreditamos que usando átomos podemos ser capazes de detectar ondas gravitacionais com uma frequência diferente das já observadas.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.