A matéria escura até agora desafiou todos os tipos de detectores projetados para encontrá-la. Por causa de sua enorme pegada gravitacional no espaço, sabemos que a matéria escura deve constituir cerca de 85 por cento da massa total do universo, mas ainda não sabemos do que é feito.

Vários grandes experimentos que procuram por matéria escura procuraram por sinais de partículas de matéria escura batendo em núcleos atômicos por meio de um processo conhecido como espalhamento, que podem produzir minúsculos flashes de luz e outros sinais nessas interações.

Agora um novo estudo, liderado por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e da UC Berkeley, sugere novos caminhos para captar os sinais das partículas de matéria escura que têm sua energia absorvida por esses núcleos.

O processo de absorção pode dar a um átomo afetado um chute que o faz ejetar um isqueiro, partícula energizada, como um elétron, e pode produzir outros tipos de sinais, também, dependendo da natureza da partícula de matéria escura.

O estudo se concentra principalmente nos casos em que um elétron ou neutrino é ejetado quando a partícula de matéria escura atinge o núcleo de um átomo.

Publicado em 4 de maio em Cartas de revisão física , o estudo propõe que alguns experimentos existentes, incluindo aqueles que procuram por partículas de matéria escura e processos relacionados a neutrinos - fantasmagóricos, partículas detectáveis ​​que podem passar pela maior parte da matéria e têm a capacidade de se transformar em diferentes formas - podem ser facilmente ampliadas para também procurar esses tipos de sinais reveladores de matéria escura relacionados à absorção.

Também, os pesquisadores propõem que novas pesquisas em dados de detectores de partículas coletados anteriormente podem possivelmente revelar esses sinais de matéria escura esquecidos.

"Nesta área, temos uma certa ideia em mente sobre candidatos bem motivados para matéria escura, como o WIMP, "ou partícula massiva de interação fraca, disse Jeff Dror, o autor principal do estudo é um pesquisador de pós-doutorado no Grupo de Teoria do Laboratório de Berkeley e no Centro de Física Teórica de Berkeley da UC Berkeley.

A matéria escura ultrapassa os limites das conhecidas leis fundamentais da física, encapsulado no Modelo Padrão de física de partículas, e "O paradigma WIMP é muito fácil de construir no modelo padrão, mas não o encontramos há muito tempo, "Dror observou.

Então, os físicos estão considerando agora outros lugares onde as partículas de matéria escura podem estar se escondendo, e outras possibilidades de partículas, como "neutrinos estéreis" teorizados que também poderiam ser trazidos para a família de partículas conhecidas como férmions - que inclui elétrons, prótons, e neutrinos.

"É fácil, com pequenas modificações no paradigma WIMP, para acomodar um tipo totalmente diferente de sinal, "Dror disse." Você pode fazer um grande progresso com muito pouco custo se você recuar um pouco no modo como temos pensado sobre a matéria escura. "

Robert McGehee, um estudante de graduação da UC Berkeley, e Gilly Elor da Universidade de Washington foram co-autores do estudo.

Os pesquisadores observam que a gama de novos sinais que eles estão focando abre um "oceano" de possibilidades de partículas de matéria escura:ou seja, férmions ainda não descobertos com massas mais leves do que a faixa típica considerada para WIMPs. Eles podem ser primos próximos de neutrinos estéreis, por exemplo.

A equipe de estudo considerou processos de absorção conhecidos como "corrente neutra, "em que os núcleos do material detector recuam, ou ser sacudido por sua colisão com partículas de matéria escura, produzir assinaturas de energia distintas que podem ser captadas pelo detector; e também aqueles conhecidos como "corrente carregada, "que pode produzir vários sinais quando uma partícula de matéria escura atinge um núcleo, causando um recuo e a ejeção de um elétron.

O processo de corrente de carga também pode envolver decadência nuclear, em que outras partículas são ejetadas de um núcleo como uma espécie de efeito dominó desencadeado pela absorção de matéria escura.

Procurar as assinaturas sugeridas pelo estudo dos processos de corrente neutra e corrente de carga pode abrir "ordens de magnitude de espaço de parâmetros inexplorado, "observam os pesquisadores. Eles se concentram em sinais de energia no MeV, o que significa milhões de elétron-volts. Um elétron volt é uma medida de energia que os físicos usam para descrever as massas das partículas. Enquanto isso, pesquisas WIMP típicas agora são sensíveis às interações de partículas com energias na faixa keV, ou milhares de elétron-volts.

Para as várias interações de partículas que os pesquisadores exploraram no estudo, "Você pode prever qual é o espectro de energia da partícula que sai ou o núcleo que está recebendo o 'chute, '"Disse Dror. Núcleo refere-se ao próton carregado positivamente ou nêutron descarregado que reside no núcleo de um átomo e que poderia absorver energia quando atingido por uma partícula de matéria escura. Esses sinais de absorção podem ser mais comuns do que os outros tipos de sinais que escurecem detectores de matéria são normalmente projetados para encontrar, ele acrescentou - nós simplesmente não sabemos ainda.

Experimentos que têm grandes volumes de material detector, com alta sensibilidade e ruído de fundo muito baixo, "ou interferência indesejada de outros tipos de sinais de partículas, são particularmente adequados para esta busca expandida por diferentes tipos de sinais de matéria escura, Dror disse.

LUX-ZEPLIN (LZ), por exemplo, um projeto ultrassensível de pesquisa de matéria escura liderado pelo Berkeley Lab em construção em uma antiga mina de Dakota do Sul, é um possível candidato, pois usará cerca de 10 toneladas métricas de xenônio líquido como meio de detecção e foi projetado para ser fortemente protegido de outros tipos de ruído de partículas.

Já, a equipe de pesquisadores participantes do estudo trabalhou com a equipe que opera o Observatório de Xenon Enriquecido (EXO), um experimento subterrâneo em busca de um processo teorizado conhecido como decaimento beta duplo sem neutrino usando xenônio líquido, para abrir sua pesquisa a esses outros tipos de sinais de matéria escura.

E para tipos semelhantes de experimentos que estão funcionando, "Os dados já estão basicamente lá. É só uma questão de olhar para eles, "Dror disse.

Os pesquisadores citam uma longa lista de experiências candidatas ao redor do mundo que podem ter dados relevantes e recursos de pesquisa que podem ser usados ​​para encontrar seus sinais de destino, incluindo:CUORE, LZ predecessor LUX, PandaX-II, XENON1T, KamLAND-Zen, SuperKamiokande, CDMS-II, DarkSide-50, e Borexino entre eles.

Como uma próxima etapa, a equipe de pesquisa espera trabalhar com colaborações de experimentos para analisar os dados existentes, e descobrir se os parâmetros de pesquisa de experimentos ativos podem ser ajustados para pesquisar outros sinais.

"Acho que a comunidade está começando a ficar bastante ciente disso, "Dror disse, adicionando, "Uma das maiores questões no campo é a natureza da matéria escura. Não sabemos do que ela é feita, mas responder a essas perguntas pode estar ao nosso alcance em um futuro próximo. Para mim, essa é uma grande motivação para continuar avançando - há uma nova física por aí. "