p Físicos da Brown University desenvolveram uma nova estratégia para detectar diretamente a matéria escura, o indescritível pensamento material responsável pela maior parte da matéria no universo. p A nova estratégia, que é projetado para detectar interações entre partículas de matéria escura e um tubo de hélio superfluido, seria sensível a partículas em uma faixa de massa muito menor do que é possível com qualquer um dos experimentos de grande escala executados até agora, dizem os pesquisadores.

p "A maioria das pesquisas em grande escala de matéria escura até agora têm procurado partículas com uma massa em algum lugar entre 10 e 10, 000 vezes a massa de um próton, "disse Derek Stein, um físico que foi coautor do trabalho com dois de seus colegas da Brown University, Humphrey Maris e George Seidel. "Abaixo de 10 massas de prótons, esses experimentos começam a perder sua sensibilidade. O que queremos fazer é estender a sensibilidade para baixo em massa em três ou quatro ordens de magnitude e explorar a possibilidade de partículas de matéria escura que são muito mais leves. "

p Um artigo descrevendo o novo detector é publicado em Cartas de revisão física .

p Matéria perdida

p Embora ainda não tenha sido detectado diretamente, os físicos estão bastante certos de que a matéria escura deve existir de alguma forma. A maneira como as galáxias giram e o grau em que a luz se curva enquanto viaja pelo universo sugere que há algum tipo de coisa invisível jogando sua gravidade ao redor.

p A ideia principal para a natureza da matéria escura é que ela é algum tipo de partícula, embora um que interaja muito raramente com a matéria comum. Mas ninguém tem certeza de quais podem ser as propriedades de uma partícula de matéria escura, porque ninguém ainda registrou uma dessas interações raras.

p Houve uma boa razão, Stein diz, para pesquisar na faixa de massa onde a maioria dos experimentos de matéria escura se concentraram até agora. Uma partícula nessa faixa de massa amarraria muitas pontas teóricas soltas. Por exemplo, a teoria da supersimetria - a ideia de que todas as partículas comuns que conhecemos e amamos têm partículas parceiras ocultas - prevê candidatos de matéria escura da ordem de centenas de massas de prótons.

p Mas o não comparecimento dessas partículas em experimentos até agora fez alguns físicos pensarem em como procurar em outro lugar. Isso levou os teóricos a propor modelos nos quais a matéria escura teria massa muito menor.

p Uma nova abordagem

p A estratégia de detecção que os pesquisadores de Brown criaram envolve um tubo de hélio superfluido. A ideia é que as partículas de matéria escura passando pela banheira devem, em ocasiões muito raras, bater no núcleo de um átomo de hélio. Essa colisão produziria fônons e rotons - minúsculas excitações mais ou menos semelhantes às ondas sonoras - que se propagam sem perda de energia cinética dentro do superfluido. Quando essas excitações atingem a superfície do fluido, eles farão com que os átomos de hélio sejam liberados em um espaço de vácuo acima da superfície. A detecção desses átomos liberados seria o sinal de que uma interação de matéria escura ocorreu na banheira.

p "A última parte é a parte complicada, "disse Maris, que trabalhou em esquemas de detecção semelhantes à base de hélio para outras partículas, como neutrinos solares. A colisão de uma partícula de matéria escura de baixa massa pode resultar na liberação de apenas um único átomo da superfície. Esse único átomo carregaria apenas cerca de um volt mili-elétron de energia, tornando virtualmente impossível detectar por qualquer meio tradicional. A novidade deste novo esquema de detecção é um meio de amplificar esse pequeno, assinatura de energia de um único átomo.

p Ele funciona gerando um campo elétrico no espaço de vácuo acima do líquido usando uma série de pequenas, pinos de metal carregados positivamente. À medida que um átomo liberado da superfície de hélio se aproxima de um pino, a ponta carregada positivamente roubará um elétron dela, criando um íon de hélio carregado positivamente. Esse íon positivo recém-criado estaria em estreita proximidade com o pino carregado positivamente, e porque cargas semelhantes se repelem, o íon voará com energia suficiente para ser facilmente detectado por um calorímetro padrão, um dispositivo que detecta uma mudança de temperatura quando uma partícula bate nele.

p "Se colocarmos 10, 000 volts nesses pequenos pinos, então esse íon vai voar com 10, 000 volts nele, "Maris disse." Portanto, é esse recurso de ionização que nos dá uma nova maneira de detectar apenas um único átomo de hélio que poderia ser associado a uma interação de matéria escura. "

p Sensível em baixa massa

p Esse novo tipo de detector não seria o primeiro a usar a ideia do tubo de gás líquido. O experimento Large Underground Xenon (LUX) recentemente concluído e seu sucessor, LUX-ZEPLIN, ambos usam tubos de gás xenônio. O uso de hélio, em vez disso, fornece uma vantagem importante na procura de partículas com massa menor, dizem os pesquisadores.

p Para que uma colisão seja detectável, a partícula que chega e os núcleos atômicos alvo devem ter uma massa compatível. Se a partícula de entrada for muito menor em massa do que os núcleos alvo, qualquer colisão resultaria na partícula simplesmente ricocheteando sem deixar vestígios. Uma vez que LUX e L-Z são destinados à detecção de partículas com massa maior que cinco vezes a de um próton, eles usaram xenon, que tem um núcleo de cerca de 100 massas de prótons. O hélio tem uma massa nuclear apenas quatro vezes maior do que um próton, tornando um alvo mais compatível para partículas com muito menos massa.

p Mas ainda mais importante do que o alvo leve, os pesquisadores dizem, é a capacidade do novo esquema de detectar apenas um único átomo evaporado da superfície do hélio. Esse tipo de sensibilidade permitiria ao dispositivo detectar as minúsculas quantidades de energia depositadas no detector por partículas com massas muito pequenas. A equipe de Brown acha que seu dispositivo seria sensível a massas com cerca de duas vezes a massa de um elétron, aproximadamente 1, 000 a 10, 000 vezes mais leve do que as partículas detectáveis ​​em experimentos de matéria escura em grande escala até agora.

p Stein diz que os primeiros passos para realmente tornar esse detector uma realidade serão experimentos fundamentais para entender melhor os aspectos do que está acontecendo no hélio superfluido e a dinâmica precisa do esquema de ionização.

p "A partir desses experimentos fundamentais, "Stein diz, "nós faríamos projetos para um experimento de matéria escura maior e mais completo."