Em uma mina de ouro abandonada, uma milha abaixo de Chumbo, Dakota do Sul, o cosmos se acalma o suficiente para potencialmente ouvir os sussurros fracos do material mais evasivo do universo - matéria escura.

Protegido do dilúvio de raios cósmicos que banham constantemente a superfície da Terra, e limpo de metais e gases radioativos barulhentos, a mina, cientistas pensam, será o cenário ideal para o experimento de matéria escura mais sensível até o momento. Conhecido como LUX-ZEPLIN, o experimento será lançado em 2020 e ouvirá uma rara colisão entre uma partícula de matéria escura com 10 toneladas de xenônio líquido.

Dez cientistas da Universidade de Wisconsin-Madison estão envolvidos no projeto e teste do detector, e fazem parte de uma equipe de mais de 200 pesquisadores de 38 instituições em cinco países que trabalham no projeto. Este mês, o Departamento de Energia aprovou o prosseguimento das etapas finais de montagem e construção de LZ no Sanford Underground Research Facility em Dakota do Sul, com um custo total do projeto de $ 55 milhões. Suporte adicional vem de colaboradores internacionais no Reino Unido, Coréia do Sul e Portugal, bem como a Autoridade de Ciência e Tecnologia de Dakota do Sul. O objetivo dos pesquisadores é levar o experimento online o mais rápido possível para competir em uma corrida global para ser o primeiro a detectar matéria escura.

Na década de 1930, enquanto os astrônomos estudavam a rotação de galáxias distantes, eles notaram que não havia matéria suficiente - estrelas, planetas, gás quente - para manter as galáxias juntas por meio da gravidade. Devia haver alguma massa extra que ajudasse a unir todo o material visível, mas era invisivel, ausente.

Matéria escura, cientistas acreditam, compreende essa massa ausente, contribuindo com um poderoso contrapeso gravitacional que impede que as galáxias se separem. Embora a matéria escura tenha provado ser indetectável até agora, pode haver muito - cerca de cinco vezes mais do que a matéria normal.

"Partículas de matéria escura podem estar bem aqui na sala fluindo por sua cabeça, talvez ocasionalmente encontrando um de seus átomos, "diz Duncan Carlsmith, um professor de física na UW – Madison.

Uma explicação proposta para a matéria escura é a interação fraca de partículas massivas, ou WIMPs, partículas que geralmente passam despercebidas pela matéria normal, mas que podem, Em ocasião, esbarrar nele. O experimento LZ, e projetos semelhantes na Itália e China, são projetados para detectar - ou descartar - WIMPs na busca para explicar esse material fantasmagórico.

O detector é configurado como um enorme sino capaz de tocar em resposta ao toque mais leve de uma partícula de matéria escura. Aninhada dentro de duas câmaras externas projetadas para detectar e remover partículas contaminantes, está uma câmara cheia de 10 toneladas de xenônio líquido. Se um pedaço de matéria escura corre para um átomo de xenônio, o xenônio irá colidir com seus vizinhos, produzindo uma explosão de luz ultravioleta e liberando elétrons.

Momentos depois, os elétrons livres excitarão o gás xenônio no topo da câmara e liberarão um segundo, explosão de luz mais brilhante. Mais de 500 tubos fotomultiplicadores ficarão atentos a esses sinais, que juntos podem discriminar entre uma partícula contaminante e verdadeiras colisões de matéria escura.

Kimberly Palladino, um professor assistente de física na UW – Madison, e o estudante de graduação Shaun Alsum faziam parte da equipe de pesquisa do LUX, o predecessor do LZ, que define registros de busca de WIMPs. Com base na experiência do experimento anterior, Palladino, Alsum, o estudante de graduação Jonathan Nikoleyczik e pesquisadores de graduação estão conduzindo simulações de colisões de matéria escura e prototipando o detector de partículas para aumentar a sensibilidade do LZ e descartar sinais produzidos pela matéria comum com mais rigor.

O projeto LZ é "fazer ciência da maneira que você quer fazer, "diz Palladino, explicando como a colaboração fornece o tempo, financiamento e experiência necessários para resolver questões fundamentais sobre a natureza do universo.

O sucesso do LZ depende em parte da exclusão de materiais contaminantes, incluindo produtos químicos reativos e traços de elementos radioativos, do xenônio, que depende da habilidade de engenharia fornecida pelo Laboratório de Ciências Físicas da UW – Madison. Jeff Cherwinka, engenheiro-chefe do projeto LZ e um engenheiro mecânico PSL, está supervisionando a montagem do detector de matéria escura em uma instalação especial limpa de radônio radioativo e está projetando um sistema para remover continuamente o gás que vaza do revestimento da câmara de xenônio. Juntamente com o engenheiro PSL Terry Benson, Cherwinka também está projetando o sistema de armazenamento de xenônio para evitar que qualquer elemento radioativo vaze durante o transporte e a instalação.

"É um dos pontos fortes da universidade que temos a experiência de engenharia e manufatura para contribuir com esses projetos de grande escala, "diz Cherwinka." Isso ajuda a UW a ganhar mais participação nesses projetos. "

Enquanto isso, Carlsmith e Sridhara Dasu, também professor de física da UW – Madison, estão projetando sistemas computacionais para gerenciar e analisar os dados que saem do detector, a fim de estarem prontos para ouvir colisões de matéria escura assim que o LZ for ligado em 2020. Uma vez operacional, LZ se aproximará rapidamente do limite fundamental de sua capacidade de detecção, o ruído de fundo de partículas saindo do sol.

"Em um ano, se não houver WIMPs, ou se interagirem muito fracamente, não veremos nada, "diz Carlsmith. Espera-se que o experimento opere por pelo menos cinco anos para confirmar quaisquer observações iniciais e definir novos limites nas interações potenciais entre WIMPs e matéria comum.

Outros experimentos, incluindo os projetos do Centro de Astrofísica de Partículas do Wisconsin IceCube, IceCube, HAWC, e CTA, estão procurando as assinaturas de eventos de aniquilação da matéria escura como métodos independentes e indiretos para investigar a natureza da matéria escura. Além disso, Cientistas da UW – Madison estão trabalhando no Large Hadron Collider, em busca de evidências de que a matéria escura é produzida durante colisões de partículas de alta energia. Esta combinação de esforços fornece a melhor oportunidade ainda para descobrir mais sobre a natureza da matéria escura, e com ela a evolução e estrutura do nosso universo.