p A tecnologia proposta há 30 anos para pesquisar a matéria escura é finalmente enxergar a luz. p Os cientistas estão usando sensores inovadores, chamados skipper CCDs (abreviação de charge-coupled devices) em um novo tipo de projeto de detecção de matéria escura. Cientistas usarão o projeto, conhecido como SENSEI, para encontrar as partículas de matéria escura mais claras que alguém já procurou.

p Matéria escura - assim chamada porque não absorve, refletir ou emitir luz - constitui 27 por cento do universo, mas o júri ainda não decidiu do que é feito. O principal suspeito teórico para o principal componente da matéria escura é uma partícula que os cientistas chamaram de forma descritiva de partícula massiva fracamente interativa, ou WIMP.

p Mas, uma vez que nenhuma dessas partículas pesadas, que se espera que tenham uma massa 100 vezes a de um próton, apareceram em experimentos, pode ser hora de os pesquisadores pensarem pequeno.

p "Há um interesse crescente em procurar diferentes tipos de matéria escura que são aditivos ao modelo WIMP padrão, "disse o cientista do Fermilab Javier Tiffenberg, um líder da colaboração SENSEI. "Leve, ou baixa massa, matéria escura é uma possibilidade muito atraente, e pela primeira vez, a tecnologia existe para explorar esses candidatos. "

p A matéria escura de baixa massa deixaria um minúsculo, assinatura difícil de ver quando colide com o material dentro de um detector. Pegar essas partículas indescritíveis requer um mestre de detecção de matéria escura:SENSEI.

p Sentindo o invisível

p Em experimentos tradicionais de matéria escura, os cientistas procuram uma transferência de energia que ocorreria se as partículas de matéria escura colidissem com um núcleo comum, mas o SENSEI é diferente. Ele procura por interações diretas de partículas de matéria escura colidindo com elétrons.

p "Essa é uma grande diferença - você obtém muito mais energia transferida neste caso porque um elétron é muito leve em comparação com um núcleo, "Tiffenberg disse.

p Se a matéria escura tem baixa massa - muito menor do que o modelo WIMP sugere - então ela seria muitas vezes mais leve do que um núcleo atômico. Então, se colidir com um núcleo, a transferência de energia resultante seria muito pequena para nos dizer alguma coisa. Seria como jogar uma bola de pingue-pongue em uma pedra:o objeto pesado não vai a lugar nenhum, e não haveria nenhum sinal de que os dois entraram em contato.

p Um elétron não é nem de longe tão pesado quanto um núcleo atômico. Na verdade, um único próton tem cerca de 1, 836 vezes mais massa do que um elétron. Portanto, a colisão de uma partícula de matéria escura de baixa massa com um elétron tem uma chance muito melhor de deixar uma marca - mais bola de boliche do que a pedra do núcleo.

p Mesmo assim, o elétron ainda é uma bola de boliche em comparação com a partícula de matéria escura de baixa massa. Uma transferência de energia entre os dois deixaria apenas uma gota de energia, um muito pequeno para a maioria dos detectores detectar ou facilmente obscurecido pelo ruído nos dados. Há uma pequena troca de energia, mas, se o detector não for sensível o suficiente, pode parecer que nada acontece.

p "A bola de boliche se moverá um pouco, "disse o cientista do Fermilab Juan Estrada, um colaborador do SENSEI. "Você precisa de um detector muito preciso para ver essa interação de partículas leves com algo que é muito mais pesado."

p É aí que entram os sensíveis CCDs skipper do SENSEI:eles captam aquela pequena transferência de energia.

p CCDs têm sido usados ​​para outros experimentos de detecção de matéria escura, como o experimento Dark Matter in CCDs (ou DAMIC) operando no SNOLAB no Canadá. Esses CCDs foram derivados de sensores desenvolvidos para uso na Dark Energy Camera no Chile e em outros projetos de busca de energia escura.

p Os CCDs são normalmente feitos de silício dividido em pixels. Quando uma partícula de matéria escura passa pelo CCD, ele colide com os elétrons do silício, libertando-os, deixando uma carga elétrica líquida em cada pixel por onde a partícula passa. Os elétrons então fluem através de pixels adjacentes e, em última análise, são lidos como uma corrente em um dispositivo que mede o número de elétrons liberados de cada pixel CCD. Essa medição informa aos cientistas sobre a massa e a energia da partícula - neste caso, a partícula de matéria escura - que iniciou a reação em cadeia. Uma partícula massiva, como um WIMP, libertaria um jorro de elétrons, mas uma partícula de baixa massa pode libertar apenas um ou dois.

p CCDs típicos podem medir a carga deixada para trás apenas uma vez, o que torna difícil decidir se um minúsculo sinal de energia de um ou dois elétrons é real ou um erro.

p Os CCDs Skipper são uma nova geração da tecnologia que ajuda a eliminar a "incerteza" de uma medição que tem uma margem de erro de um ou dois elétrons. Isso permite uma precisão muito maior graças a um design exclusivo.

p "No passado, detectores podiam medir a quantidade de carga da energia depositada em cada pixel apenas uma vez, "Tiffenberg disse." O grande passo em frente para o capitão CCD é que podemos medir essa carga quantas vezes quisermos. "

p A carga deixada para trás no CCD do capitão pela matéria escura que libera os elétrons pode ser amostrada várias vezes e, em seguida, calculada a média, um método que produz uma medição mais precisa da carga depositada em cada pixel do que a técnica de medição e execução. Essa é a regra das estatísticas:com mais dados, você se aproxima do verdadeiro valor de uma propriedade.

p Os cientistas do SENSEI tiram proveito da arquitetura CCD do capitão, medindo o número de elétrons em um único pixel um colossal 4, 000 vezes e, em seguida, calculando a média deles. Isso minimiza o erro de medição - ou ruído - e esclarece o sinal.

p "Esta é uma ideia simples, mas demoramos 30 anos para fazê-lo funcionar, "Estrada disse.

p Da ideia, para a realidade, para além

p Um pequeno protótipo SENSEI está atualmente em execução no Fermilab em uma sala de detectores 385 pés abaixo do solo, e demonstrou que o design deste detector funcionará na caça à matéria escura.

p Depois de algumas décadas existindo apenas como uma ideia, A tecnologia skipper CCD e o SENSEI foram trazidos à vida pelos fundos de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório (LDRD) no Fermilab e no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). Os LDRDs do Fermilab foram concedidos apenas recentemente - menos de dois anos atrás - mas a estreita colaboração entre os dois laboratórios já rendeu o design promissor do SENSEI, parcialmente graças ao trabalho anterior do laboratório de Berkeley no projeto do CCD do capitão.

p Os fundos LDRD do Fermilab permitem que os pesquisadores testem os sensores e desenvolvam detectores com base na ciência, e os fundos LDRD do Berkeley Lab apóiam o projeto do sensor, que foi originalmente proposto pelo cientista do Berkeley Lab Steve Holland.

p “É a combinação dos dois LDRDs que realmente torna o SENSEI possível, "Estrada disse.

p Os programas LDRD destinam-se a fornecer financiamento para o desenvolvimento de romance, ideias de ponta para descobertas científicas, e a tecnologia SENSEI certamente se encaixa no projeto - mesmo além de sua busca por matéria escura.

p A pesquisa futura do SENSEI também receberá um impulso graças a uma recente bolsa da Fundação Heising-Simons.

p "SENSEI é muito legal, mas o que é realmente impressionante é que o CCD skipper permitirá a ciência do SENSEI e muitas outras aplicações, "Estrada disse." Os estudos astronômicos são limitados pela sensibilidade de suas medições experimentais, e ter sensores sem ruído equivale a tornar seu telescópio maior - mais sensível. "

p A tecnologia SENSEI também pode ser crítica na busca por um quarto tipo de neutrino, chamado de neutrino estéril, que parece ser ainda mais tímido do que seus três membros da família de neutrinos notoriamente esquivos.

p Um detector SENSEI maior equipado com mais CCDs skipper será implantado dentro de um ano. É possível que ele não detecte nada, enviando pesquisadores de volta à prancheta na busca pela matéria escura. Ou o SENSEI pode finalmente fazer contato com a matéria escura - e isso seria o SENSEI-ional.