O Departamento de Energia dos EUA aprovou o financiamento e o início da construção do experimento SuperCDMS SNOLAB, que começará a operar no início da década de 2020 para caçar partículas hipotéticas de matéria escura, chamadas partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs. O experimento será pelo menos 50 vezes mais sensível do que seu antecessor, explorando propriedades WIMP que não podem ser sondadas por outros experimentos e dando aos pesquisadores uma nova ferramenta poderosa para entender um dos maiores mistérios da física moderna.

O SLAC National Accelerator Laboratory do DOE está gerenciando o projeto de construção para a colaboração internacional do SuperCDMS de 111 membros de 26 instituições, que está se preparando para fazer pesquisas com o experimento.

"Compreender a matéria escura é um dos tópicos de pesquisa mais quentes - no SLAC e em todo o mundo, "disse JoAnne Hewett, chefe da Diretoria de Física Fundamental do SLAC e chefe de pesquisa do laboratório. "Estamos entusiasmados em liderar o projeto e trabalhar com nossos parceiros para construir este experimento de matéria escura de próxima geração."

Com as aprovações DOE, conhecido como decisões críticas 2 e 3, os pesquisadores agora podem construir o experimento. O DOE Office of Science contribuirá com US $ 19 milhões para o esforço, unindo forças com a National Science Foundation ($ 12 milhões) e a Canada Foundation for Innovation ($ 3 milhões).

"Nosso experimento será o mais sensível do mundo para WIMPs relativamente leves - em uma faixa de massa de uma fração da massa do próton a cerca de 10 massas do próton, "disse Richard Partridge, chefe do grupo SuperCDMS no Instituto Kavli de Astrofísica e Cosmologia de Partículas (KIPAC), um instituto conjunto do SLAC e da Universidade de Stanford. "Esta sensibilidade incomparável criará oportunidades empolgantes para explorar um novo território na pesquisa da matéria escura."

Uma Pesquisa Ultracold 6, 800 pés no subsolo

Os cientistas sabem que a matéria visível no universo é responsável por apenas 15% de toda a matéria. O resto é uma substância misteriosa, chamada de matéria escura. Devido à sua atração gravitacional sobre a matéria regular, a matéria escura é um fator chave para a evolução do universo, afetando a formação de galáxias como a nossa Via Láctea. Portanto, é fundamental para nossa própria existência.

Mas os cientistas ainda não descobriram de que é feita a matéria escura. Eles acreditam que pode ser composto de partículas de matéria escura, e os WIMPs são os principais candidatos. Se essas partículas existem, eles mal interagiriam com seu ambiente e voariam através da matéria normal intocada. Contudo, de vez em quando, eles podem colidir com um átomo de nosso mundo visível, e os pesquisadores da matéria escura estão procurando essas interações raras.

No experimento SuperCDMS SNOLAB, a pesquisa será feita com cristais de silício e germânio, em que as colisões desencadeariam vibrações minúsculas. Contudo, para medir os jiggles atômicos, os cristais precisam ser resfriados a menos de 459,6 graus Fahrenheit - uma fração de grau acima da temperatura zero absoluta. Essas condições ultrafrias dão ao experimento seu nome:Pesquisa Criogênica de Matéria Escura, ou CDMS. O prefixo "Super" indica uma sensibilidade aumentada em comparação com as versões anteriores do experimento.

As colisões também produziriam pares de elétrons e deficiências de elétrons que se movem através dos cristais, desencadeando vibrações atômicas adicionais que amplificam o sinal da colisão de matéria escura. O experimento será capaz de medir essas "impressões digitais" deixadas pela matéria escura com sofisticados componentes eletrônicos supercondutores.

O experimento será montado e operado no laboratório canadense SNOLAB - 6, 800 pés no subsolo dentro de uma mina de níquel perto da cidade de Sudbury. É o laboratório subterrâneo mais profundo da América do Norte. Lá, ele será protegido de partículas de alta energia, chamada radiação cósmica, que pode criar sinais de fundo indesejados.

"O SNOLAB está animado em dar as boas-vindas à colaboração do SuperCDMS SNOLAB no laboratório subterrâneo, "disse Kerry Loken, Gerente de projetos SNOLAB. "Esperamos uma grande parceria e apoiar esta ciência líder mundial."

Nos últimos meses, um protótipo de detector foi testado com sucesso no SLAC. "Esses testes foram uma demonstração importante de que somos capazes de construir o detector real com resolução de energia alta o suficiente, bem como detector eletrônico com ruído baixo o suficiente para cumprir nossos objetivos de pesquisa, "disse Paul Brink da KIPAC, que supervisiona a fabricação do detector em Stanford.

Juntamente com outras sete instituições colaboradoras, SLAC fornecerá a peça central do experimento de quatro torres de detectores, cada um contendo seis cristais em forma de discos de hóquei de grandes dimensões. A primeira torre poderá ser enviada ao SNOLAB até o final de 2018.

"As torres de detecção são a parte mais desafiadora do experimento em termos tecnológicos, empurrando as fronteiras de nossa compreensão de dispositivos de baixa temperatura e leitura de supercondutores, "disse Bernard Sadoulet, um colaborador da Universidade da Califórnia, Berkeley.

Uma forte colaboração para a ciência extraordinária

Além do SLAC, dois outros laboratórios nacionais estão envolvidos no projeto. O Laboratório Fermi National Accelerator está trabalhando na intrincada infraestrutura de blindagem e criogenia do experimento, e o Pacific Northwest National Laboratory está ajudando a entender os sinais de fundo do experimento, um grande desafio para a detecção de sinais WIMP fracos.

Uma série de universidades americanas e canadenses também desempenham papéis importantes no experimento, trabalhando em tarefas que vão desde a fabricação e teste de detectores até a análise e simulação de dados. A maior contribuição internacional vem do Canadá e inclui a infraestrutura de pesquisa do SNOLAB.

"Temos a sorte de ter uma rede unida de fortes parceiros de colaboração, o que é crucial para o nosso sucesso, "disse Blas Cabrera da KIPAC, que dirigiu o projeto por meio do marco de aprovação do CD-2/3. "O mesmo se aplica ao excelente suporte que estamos recebendo das agências de financiamento dos EUA e do Canadá."

Dan Bauer do Fermilab, porta-voz da colaboração SuperCDMS, disse, "Juntos, agora estamos prontos para construir um experimento que irá pesquisar por partículas de matéria escura que interagem com a matéria normal em uma região inteiramente nova."

SuperCDMS SNOLAB será o mais recente em uma série de experimentos de matéria escura cada vez mais sensíveis. A versão mais recente, localizado na Mina Soudan em Minnesota, operações concluídas em 2015.

"O projeto incorporou lições aprendidas de experimentos CDMS anteriores para melhorar significativamente a infraestrutura experimental e os designs de detector para o experimento, "disse Ken Fouts do SLAC, gerente de projeto do SuperCDMS SNOLAB. "A combinação de melhorias de design, a localização profunda e o suporte de infraestrutura fornecido pelo SNOLAB permitirão que o experimento atinja todo o seu potencial na busca de matéria escura de baixa massa. "