A busca por matéria escura está se expandindo. E indo pequeno.

Embora a matéria escura seja abundante no universo, é de longe a forma mais comum de matéria, constituindo cerca de 85 por cento do total do universo - também se esconde à vista de todos. Ainda não sabemos do que é feito, embora possamos testemunhar sua atração gravitacional sobre a matéria conhecida.

Partículas massivas de interação fraca teorizadas, ou WIMPs, estiveram entre o elenco de prováveis ​​suspeitos que compreendem matéria escura, mas eles ainda não apareceram onde os cientistas os esperavam.

Lançando muitas redes pequenas

Portanto, os cientistas agora estão redobrando seus esforços ao projetar novos e ágeis experimentos que podem procurar por matéria escura em intervalos anteriormente inexplorados de massa e energia de partículas, e usando métodos não testados anteriormente. A nova abordagem, em vez de depender de algumas "redes" de grandes experimentos para tentar capturar um tipo de matéria escura, é semelhante a lançar muitas redes menores com malhas muito mais finas.

A matéria escura poderia ser muito "mais leve, "ou menor em massa e menor em energia, do que se pensava anteriormente. Pode ser composto de teóricos, partículas ultraleves semelhantes a ondas conhecidas como axions. Ele poderia ser povoado por um reino selvagem cheio de muitas espécies de partículas ainda não descobertas. E pode não ser composto de partículas.

O momento vem crescendo para experimentos de matéria escura de baixa massa, o que poderia expandir nossa compreensão atual da composição da matéria, incorporada no Modelo Padrão da física de partículas, observou Kathryn Zurek, um cientista sênior e físico teórico no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab).

Zurek, que também é afiliado à UC Berkeley, foi pioneira em propor teorias de matéria escura de baixa massa e possíveis maneiras de detectá-la.

"Que evidência experimental temos para a física além do Modelo Padrão? A matéria escura é uma das melhores, "disse ela." Existem essas ideias teóricas que existem há cerca de uma década, "Zurek acrescentou, e novos desenvolvimentos em tecnologia - como novos avanços em sensores quânticos e materiais de detecção - também ajudaram a impulsionar o ímpeto para novos experimentos.

"O campo amadureceu e floresceu na última década. Tornou-se popular - não é mais a periferia, ", disse ela. As discussões sobre matéria escura de baixa massa passaram de pequenas conferências e workshops para um componente da estratégia geral de busca de matéria escura.

Ela observou que o Berkeley Lab e a UC Berkeley, com sua especialização em teorias de matéria escura, experimentos, e detector de ponta e R&D alvo, estão prestes a causar um grande impacto nesta área emergente de caça à matéria escura.

Os destaques do relatório precisam pesquisar por matéria escura "clara" de baixa massa

A pesquisa relacionada à matéria escura por Zurek e outros pesquisadores do Berkeley Lab é destacada em um relatório do DOE, "Necessidades básicas de pesquisa para novas iniciativas de pequenos projetos de matéria escura", baseado em um Workshop de Física de Altas Energias sobre Matéria Escura em outubro de 2018. Zurek e Dan McKinsey, um cientista sênior do Berkeley Lab e professor de física da UC Berkeley, atuou como co-líder em um painel de workshop focado em técnicas de detecção direta de matéria escura, e este painel contribuiu para o relatório.

O relatório propõe um foco em experimentos de pequena escala - com custos de projeto variando de US $ 2 milhões a US $ 15 milhões - para pesquisar partículas de matéria escura com massa menor do que um próton. Prótons são partículas subatômicas dentro de cada núcleo atômico, cada qual pesando cerca de 1, 850 vezes mais que um elétron.

Esta nova, esforço de busca de massa inferior terá "o objetivo abrangente de finalmente compreender a natureza da matéria escura do universo, "afirma o relatório.

Em um esforço relacionado, o Departamento de Energia dos EUA este ano solicitou propostas para novos experimentos de matéria escura, com prazo de 30 de maio, e o Berkeley Lab participou do processo de proposta, McKinsey disse.

"Berkeley é uma meca da matéria escura" que está preparada para participar desta pesquisa expandida, ele disse. A McKinsey tem participado de grandes experimentos de detecção direta de matéria escura, incluindo LUX e LUX-ZEPLIN, e também está trabalhando em técnicas de detecção de matéria escura de baixa massa.

3 prioridades na pesquisa expandida

O relatório destaca três direções de pesquisa de prioridade principal na busca de matéria escura de baixa massa que "são necessárias para alcançar ampla sensibilidade e ... para atingir diferentes marcos importantes":

1. Crie e detecte partículas de matéria escura abaixo da massa de prótons e forças associadas, alavancando aceleradores DOE que produzem feixes de partículas energéticas. Esses experimentos podem nos ajudar a compreender as origens da matéria escura e explorar suas interações com a matéria comum, o relatório afirma.

2. Detectar partículas individuais de matéria escura galáctica - até uma massa medindo cerca de 1 trilhão de vezes menor que a de um próton - por meio de interações com detectores ultrassensíveis. O relatório observa que já existem áreas experimentais subterrâneas e equipamentos que poderiam ser usados ​​para apoiar esses novos experimentos.

3. Detectar ondas galácticas de matéria escura usando detectores ultrassensíveis com ênfase no chamado axião QCD (cromodinâmica quântica). Avanços na teoria e na tecnologia agora permitem que os cientistas investiguem a existência desse tipo de matéria escura baseada em axion em todo o espectro de sua faixa de massa ultraleve esperada, fornecendo "um vislumbre dos primeiros momentos na origem do universo e as leis da natureza em energias e temperaturas ultra-altas, "afirma o relatório.

Este axion, se existe, também pode ajudar a explicar as propriedades associadas à força forte do universo, que é responsável por manter a maior parte da matéria unida - ela une as partículas no núcleo de um átomo, por exemplo.

As pesquisas pela forma WIMP tradicional de matéria escura aumentaram em sensibilidade em cerca de 1, 000 vezes na última década.

Cientistas de Berkeley estão construindo experimentos de protótipo

Os pesquisadores do Berkeley Lab e da UC Berkeley se concentrarão inicialmente em cristais de hélio líquido e arseneto de gálio na busca por interações de partículas de matéria escura de baixa massa em experimentos de laboratório de protótipo agora em desenvolvimento na UC Berkeley.

"O desenvolvimento de materiais também faz parte da história, e também pensando em diferentes tipos de excitações "em materiais detectores, Zurek disse.

Além de hélio líquido e arseneto de gálio, os materiais que poderiam ser usados ​​para detectar partículas de matéria escura são diversos, "e as estruturas neles permitirão que você acople a diferentes candidatos de matéria escura, "ela disse." Eu acho que a diversidade alvo é extremamente importante. "

O objetivo desses experimentos, que devem começar nos próximos meses, é desenvolver a tecnologia e as técnicas para que possam ser escaladas para experimentos subterrâneos em outros locais que fornecerão proteção adicional contra a chuva natural de "ruído" de partículas que chove do sol e de outras fontes.

McKinsey, que está trabalhando nos experimentos de protótipo na UC Berkeley, disse que o experimento com hélio líquido procurará quaisquer sinais de partículas de matéria escura causando recuo nuclear - um processo pelo qual uma interação de partículas dá ao núcleo de um átomo um leve choque que os pesquisadores esperam que possa ser amplificado e detectado.

Um dos experimentos busca medir excitações de interações de matéria escura que levam à evaporação mensurável de um único átomo de hélio.

"Se uma partícula de matéria escura se dispersar (no hélio líquido), você obtém uma bolha de excitação, "McKinsey disse." Você poderia obter milhões de excitações na superfície - você obteria um grande sinal de calor. "

Ele observou que os átomos do hélio líquido e os cristais de arsenieto de gálio têm propriedades que permitem que eles se iluminem ou "cintilem" nas interações das partículas. Os pesquisadores usarão inicialmente detectores de luz mais convencionais, conhecidos como tubos fotomultiplicadores, e então mude para mais sensível, detectores de última geração.

"Basicamente, ao longo do próximo ano estaremos estudando sinais de luz e sinais de calor, "McKinsey disse." A relação entre o calor e a luz nos dará uma ideia do que é cada evento. "

Essas investigações iniciais determinarão se as técnicas testadas podem ser eficazes na detecção de matéria escura de baixa massa em outros locais que fornecem um ambiente de baixo ruído. "Achamos que isso nos permitirá testar limites de energia muito mais baixos, " ele disse.

Novas ideias possibilitadas por novas tecnologias

O relatório também observa uma ampla variedade de outras abordagens para a busca de matéria escura de baixa massa.

"Existem toneladas de diferentes, tecnologias legais por aí ", mesmo além daquelas cobertas no relatório que estão usando ou propondo maneiras diferentes de encontrar matéria escura de baixa massa, McKinsey disse. Alguns deles dependem da medição de uma única partícula de luz, chamado de fóton, enquanto outros dependem de sinais de um único núcleo atômico ou um elétron, ou uma vibração coletiva muito leve em átomos conhecida como fônon.

Em vez de classificar propostas existentes, o objetivo do relatório é "casar a justificativa científica com as possibilidades e aspectos práticos. Temos motivação porque temos ideias e tecnologia. Isso é o que é empolgante."

Ele adicionou, "A física é a arte do possível."