Invisível, imperceptível e ainda muito mais comum do que a matéria comum, a matéria escura representa espantosos 85 por cento da massa do universo. Os físicos estão lenta, mas continuamente rastreando a natureza dessa substância não identificada. O resultado mais recente do experimento PICO coloca alguns dos melhores limites já feitos nas propriedades de certos tipos de matéria escura.

O PICO procura WIMPs (partículas massivas de interação fraca), um tipo hipotético de partícula de matéria escura que interagiria apenas raramente, o que os torna difíceis de encontrar.

Neste jogo cósmico extremo de "Onde está Wally?" o mais novo, os detectores mais complexos tecnologicamente são geralmente considerados os mais promissores. Muitos desses experimentos de matéria escura contam com centenas, senão milhares de canais elétricos e requerem racks de servidores de computador apenas para armazenar os dados que coletam.

Mas o PICO depende de um fenômeno simples e um detector bastante discreto:bolhas, e uma câmara de bolhas. Em seu núcleo, O aparelho da PICO é simplesmente um frasco de vidro cheio de fluido no qual bolhas podem se formar e ser monitoradas por uma câmera de vídeo.

Reinventando a bolha

O PICO teve seu início em 2005 como uma colaboração entre a Universidade de Chicago e o Fermilab do Departamento de Energia dos EUA. (O experimento começou com um nome diferente, COUPP, e mais tarde se fundiu com o experimento PICASSO para formar o PICO.) Nos primeiros dias do experimento, muito do trabalho dos cientistas do Fermilab foi dedicado simplesmente ao desenvolvimento da tecnologia da câmara de bolhas. Porque embora a câmara de bolhas não fosse nova - foi inventada em 1952 - a tecnologia também estava fora de uso há 20 anos.

As câmaras de bolhas são projetadas para converter a energia depositada por uma partícula subatômica em uma bolha que pode ser observada. Em um líquido, como água à temperatura ambiente, colisões de partículas não fazem nada perceptível. Para alcançar a sensibilidade às partículas, o fluido dentro das câmaras de bolhas é aquecido até um pouco acima de seu ponto de ebulição, então, a menor interrupção pode levar o fluido a um estado de ebulição, criando uma bolha.

"Você pode realmente observar a câmara e ver a forma de bolha, "disse o físico do Fermilab Hugh Lippincott, colaborador do PICO. Em experimentos típicos de física de partículas, informações sobre interações de partículas são fornecidas exclusivamente por meio de interfaces de computador. No PICO, as interações são visíveis a olho nu como bolhas.

"É ótimo pressionar seu rosto contra o vidro e apenas ... pop!" disse o físico do Fermilab, Andrew Sonnenschein, também colaborador do PICO.

Se houver WIMPs, eles devem ocasionalmente interagir com o fluido na câmara de bolha do PICO, criando um certo número de bolhas todos os anos.

Foi um retorno à velha escola, física de partículas de baixa tecnologia quando os colaboradores do Fermilab começaram a projetar a câmara de bolhas PICO, que está instalado a 2 quilômetros de profundidade no laboratório canadense SNOLAB. Câmaras de bolhas de décadas passadas foram usadas para rastrear milhões de partículas carregadas, como prótons e elétrons, o que demoraria muito, trilhas sinuosas no fluido.

"Velhas câmaras de bolhas tiveram um ótimo funcionamento, mas acabou nos anos 80, "Sonnenschein disse." Eles eram lentos demais para acompanhar os experimentos que tinham taxas de dados muito maiores. "

Como resultado, as câmaras de bolhas foram eliminadas quando os modernos coletores de partículas, como o Tevatron do Fermilab e o Large Hadron Collider do CERN, assumiram o controle. Usando eletrônicos complexos, os detectores nesses coletores foram capazes de coletar milhões de vezes mais dados do que as câmaras de bolhas.

Na verdade, as câmaras de bolhas estavam fora de serviço por tanto tempo que os fundadores da PICO tiveram que voltar à prancheta, voltar a alguns dos papéis dos pioneiros da câmara de bolha original, e reinventar efetivamente a tecnologia para detecção de matéria escura.

"Depois que os primeiros designers da câmara de bolhas descobriram como fazê-los trabalhar para rastrear partículas de alta energia com rastros de bolhas, os ingredientes básicos da receita não mudaram. Estamos procurando por partículas de baixa energia que fazem apenas bolhas individuais, tantas coisas são diferentes, "Sonnenschein disse.

O novo design para permitir que as câmaras de bolhas detectem matéria escura ainda preserva muitos dos elementos dos detectores de câmara de bolhas mais antigos.

"O que torna o PICO interessante é que estamos usando um design de detector relativamente simples em comparação com os outros experimentos de matéria escura, "disse Dan Baxter, um estudante de graduação da Northwestern University e bolsista do Fermilab que foi o mais recente coordenador da PICO.

Ao contrário das câmaras de bolhas de detecção de partículas carregadas tradicionais, A câmara de bolhas do PICO é projetada para procurar indescritíveis, WIMPs com carga neutra que podem levar anos para aparecer.

"É usá-lo de uma maneira diferente, "Lippincott disse." Nos velhos tempos, você nunca esperaria usar uma câmara de bolha apenas deixando-a lá sem que nada acontecesse. "

Uma bolha WIMPy

A força fraca que governa os WIMPs faz jus ao seu nome. Para comparação, é cerca de 10, 000 vezes mais fraca do que a força eletromagnética. Partículas que interagem por meio da força fraca, como WIMPs e neutrinos, não interaja com frequência, tornando-os difíceis de capturar. Mas mesmo um WIMP lento pode depositar energia suficiente para ser visível em um detector.

Ao calibrar cuidadosamente o calor e a pressão no fluido da câmara de bolhas da PICO, os cientistas foram capazes de tornar o detector sensível apenas às interações de partículas massivas como os WIMPs. Os pesquisadores do PICO conseguiram evitar muito do histórico padrão, como sinais de elétrons e raios gama, que infestam outros detectores de matéria escura.

Dominar a tecnologia para fazer isso levou anos. Os predecessores do PICO começaram como pouco mais do que tubos de ensaio com algumas colheres de chá de líquido. Gradualmente, os vasos ficaram maiores. Em seguida, os pesquisadores adicionaram monitoramento de som a seus detectores para capturar os "estalos" das bolhas criadas por WIMPs.

"Vemos um som chilrear, "Sonnenschein disse, referindo-se às bolhas estourando. "Acontece que se você olhar para o conteúdo da frequência do chilrear do som e a amplitude, você pode dizer a diferença entre os diferentes tipos de interação de partículas. "

Se um WIMP criou uma bolha, PICO seria capaz de não apenas ver evidências de matéria escura, mas ouça também. Usando esta tecnologia acústica, pesquisadores foram capazes de vetar efetivamente bolhas que não poderiam ter sido criadas por WIMPs, permitindo-lhes eliminar o fundo.

Acontece que PICO não viu nenhuma bolha de WIMPs, portanto, eles foram capazes de colocar limites nas massas de WIMP e na probabilidade de interagirem com a matéria - dois fatores que influenciam o número de bolhas que os WIMPs produzem.

Colocar limites nesses fatores - massa e taxa de interação - pode dizer aos físicos onde eles devem procurar a matéria escura.

Onde nenhuma bolha foi antes

"Não sabemos o que é a matéria escura, e há muitas teorias sobre o que poderia ser e como poderia interagir com a matéria normal, "Baxter disse.

A variedade de teorias exige uma variedade de experimentos diferentes. Outros experimentos procuram diferentes fontes de matéria escura, como partículas chamadas axions ou neutrinos estéreis. A busca da PICO por WIMPs tem um foco específico nos chamados WIMPs dependentes de spin.

"Não sabemos o que são os WIMPs, "Lippincott disse." Mas, falando de maneira geral, suas interações com a matéria normal se enquadrariam em duas categorias:uma que não é sensível ao spin do núcleo, e um que é. "

Rodar, como carga, é uma quantidade intrínseca transportada por partículas e núcleos atômicos. PICO procura principalmente por interações WIMP que são sensíveis ao spin do núcleo. Para aumentar a resolução dessas interações, os pesquisadores usam um fluido com um líquido contendo flúor, que tem um spin nuclear relativamente grande. Com este método, O PICO aumentou sua capacidade de ver WIMPs sensíveis ao spin por um fator de 17.

Essencialmente, O resultado da PICO é que esses WIMPs sensíveis ao spin, se eles existem, deve interagir com pouca frequência - caso contrário, o PICO teria visto mais bolhas.

Este resultado, que é de longe o melhor para WIMPs sensíveis ao spin que interagem com prótons, não descarta a existência de WIMPs. Ainda há muitos outros lugares para procurar matéria escura, mas graças ao PICO, menos lugares para se esconder.

A colaboração PICO atualmente tem uma proposta para a Fundação do Canadá para Inovação para construir a próxima geração de câmaras PICO, e físicos como Lippincott e Sonnenschein permanecem otimistas por causa do potencial da tecnologia para aumentar sua escala.

"Eles são muito baratos depois que a engenharia é concluída, principalmente porque são muito simples mecanicamente. As partes complicadas não são muito complicadas, "Lippincott disse." Há uma boa chance de que as câmaras de bolhas continuem a desempenhar um papel na caça à matéria escura. "