Um novo projeto de detector de partículas proposto no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos Estados Unidos (Berkeley Lab) poderia ampliar muito a busca por matéria escura - que constitui 85 por cento da massa total do universo, mas não sabemos o que é feito de - em um reino inexplorado.

Embora vários experimentos de física de grande porte tenham como alvo partículas teorizadas de matéria escura chamadas WIMPs, ou partículas massivas de interação fraca, o novo design do detector pode fazer a varredura em busca de sinais de matéria escura com energias milhares de vezes menores do que as mensuráveis ​​por detectores WIMP mais convencionais.

A tecnologia do detector ultrassensível incorpora cristais de arsenieto de gálio que também incluem os elementos silício e boro. Esta combinação de elementos faz com que os cristais cintilem, ou acender, em interações de partículas que eliminam elétrons.

Esta propriedade de cintilação do arseneto de gálio tem sido amplamente inexplorada, disse Stephen Derenzo, um físico sênior da Divisão de Biofísica Molecular e Bioimagem Integrada do Berkeley Lab e autor principal de um estudo publicado em 20 de março no Journal of Applied Physics que detalha as propriedades do material.

"É difícil imaginar um material melhor para pesquisar nesta faixa de massa específica, "Derenzo disse, que é medido em MeV, ou milhões de elétron-volts. "Ele preenche todas as caixas. Estamos sempre preocupados com um 'Te peguei!' ou empecilho. Mas tentei pensar em uma maneira de esse material detector falhar e não consigo. "

A descoberta veio de Edith Bourret, um cientista sênior da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley que, décadas antes, havia pesquisado o uso potencial do arsenieto de gálio em circuitos. Ela deu a ele uma amostra de arsenieto de gálio deste trabalho anterior que apresentava concentrações adicionais, ou "dopantes, "de silício e boro.

Derenzo havia medido anteriormente algum desempenho sem brilho em uma amostra de arsenieto de gálio de grau comercial. Mas a amostra que Bourret lhe entregou exibia uma luminosidade cintilante que era cinco vezes mais brilhante do que no material comercial, devido às concentrações adicionadas, ou "dopantes, "de silício e boro que imbuiu o material com propriedades novas e aprimoradas. Essa cintilação aprimorada significava que era muito mais sensível às excitações eletrônicas.

"Se ela não tivesse me dado esta amostra de mais de 20 anos atrás, Eu não acho que teria perseguido, "Disse Derenzo." Quando este material é dopado com silício e boro, isso acaba sendo muito importante e, acidentalmente, uma escolha muito boa de dopantes. "

Derenzo observou que ele tem um interesse de longa data em cintiladores que também são semicondutores, como esta classe de materiais pode produzir cintilação ultrarrápida útil para aplicações de imagens médicas, como PET (tomografia por emissão de pósitrons) e tomografia computadorizada (tomografia computadorizada), por exemplo, bem como para experimentos de física de alta energia e detecção de radiação.

Os cristais de arseneto de gálio dopados que ele estudou parecem bem adequados para detectores de partículas de alta sensibilidade porque cristais extremamente puros podem ser cultivados comercialmente em tamanhos grandes, os cristais exibem uma alta luminosidade em resposta aos elétrons arrancados de átomos na estrutura atômica dos cristais, e não parecem ser prejudicados por efeitos indesejados típicos, como pós-luminescência de sinal e sinais de corrente escura.

Alguns dos maiores detectores de caça WIMP - como o do projeto LUX-ZEPLIN liderado pelo Berkeley Lab, agora em construção em Dakota do Sul, e seu predecessor, o experimento LUX - incorpora um detector de cintilação líquida. Um grande tanque de xenônio líquido é cercado por sensores para medir qualquer luz e sinais elétricos esperados da interação de uma partícula de matéria escura com o núcleo de um átomo de xenônio. Esse tipo de interação é conhecido como recuo nuclear.

Em contraste, o detector de arsenieto de gálio baseado em cristal é projetado para ser sensível às energias mais leves associadas aos recuos de elétrons - elétrons ejetados de átomos por sua interação com partículas de matéria escura. Tal como acontece com LUX e LUX-ZEPLIN, o detector de arsenieto de gálio precisaria ser colocado no subsolo para protegê-lo do típico banho de partículas que chovem na Terra.

Também precisaria ser acoplado a sensores de luz que pudessem detectar os poucos fótons infravermelhos (partículas de luz) esperados de uma interação de partícula de matéria escura de baixa massa, e o detector precisaria ser resfriado a temperaturas criogênicas. Os dopantes de silício e boro também podem ser otimizados para melhorar a sensibilidade geral e o desempenho dos detectores.

Porque a composição da matéria escura ainda é um mistério - ela pode ser composta de uma ou mais partículas de diferentes massas, por exemplo, ou pode não ser composto de partículas - Derenzo observou que os detectores de arsenieto de gálio fornecem apenas uma janela para os possíveis esconderijos das partículas de matéria escura.

Embora os WIMPs fossem originalmente pensados ​​para habitar uma faixa de massa medida em bilhões de elétron-volts, ou GeV, a tecnologia do detector de arseneto de gálio é bem adequada para detectar partículas na faixa de massa medida em milhões de elétron-volts, ou MeV.

Os físicos do Berkeley Lab também estão propondo outros tipos de detectores para expandir a pesquisa de matéria escura, incluindo uma configuração que usa um estado exótico de hélio resfriado conhecido como hélio superfluido para detectar diretamente as chamadas partículas de "matéria escura clara" na faixa de massa de milhares de elétron-volts (keV).

"O hélio superfluido é cientificamente complementar ao arseneto de gálio, uma vez que o hélio é mais sensível às interações da matéria escura com os núcleos atômicos, enquanto o arsenieto de gálio é sensível à matéria escura interagindo com os elétrons, "disse Dan McKinsey, um cientista sênior da faculdade no Berkeley Lab e professor de física na UC Berkeley que faz parte da LZ Collaboration e está conduzindo P&D na detecção de matéria escura usando hélio superfluido.

"Não sabemos se a matéria escura interage mais fortemente com núcleos ou elétrons - isso depende da natureza específica da matéria escura, que é até agora desconhecido. "

Outro esforço empregaria cristais de arseneto de gálio em uma abordagem diferente para a pesquisa de matéria escura clara com base em vibrações na estrutura atômica dos cristais, conhecidos como fônons ópticos. Esta configuração pode ter como alvo "fótons claros e escuros, "que são teorizadas por partículas de baixa massa que serviriam como o portador de uma força entre as partículas de matéria escura - análogo ao fóton convencional que carrega a força eletromagnética.

Ainda outro experimento de próxima geração, conhecido como o experimento Super Cryogenic Dark Matter Search, ou SuperCDMS SNOLAB, usará cristais de silício e germânio para caçar WIMPs de baixa massa.

"Esses seriam experimentos complementares, "Derenzo disse sobre as muitas abordagens." Precisamos olhar para todas as faixas de massa possíveis. Você não quer ser enganado. Você não pode excluir uma faixa de massa se não olhar lá. "