Pesquisadores da Universidade de Delaware, A University of Arizona e o Haverford College introduziram recentemente a ideia de pesquisar matéria escura escalar usando ressonadores acústicos compactos. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , teoricamente demonstra o potencial dos sistemas mecânicos na busca de matéria escura.

“Como um teórico que começou no campo da optomecânica como estudante de pós-graduação, Muitas vezes me pergunto se é possível usar alguns dos dispositivos requintados que meus colegas experimentais estão desenvolvendo como sensores para detectar novos fenômenos físicos, "Swati Singh, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org. "Quando li um artigo sobre como certos tipos de matéria escura podem levar a um sinal de tensão periódico, Fiz a conexão com meu trabalho anterior sobre a detecção de ondas gravitacionais de pulsares. O objetivo de nosso artigo recente era mostrar a promessa de uma gama muito mais ampla de dispositivos mecânicos como sensores de mesa de matéria escura. "

Por muitos anos agora, físicos teóricos previram a existência de partículas que não emitem, refletem ou absorvem luz, e, portanto, não pode ser detectado usando ferramentas tradicionais para o estudo da matéria. Embora muitos pesquisadores tenham tentado detectar essas partículas, conhecido como matéria escura, sua natureza exata permanece desconhecida.

"Embora não saibamos o que é a matéria escura, podemos simplificar a pesquisa, concentrando-nos em partículas motivadas teoricamente, "Jack Manley, outro pesquisador envolvido no estudo recente, disse Phys.org. "Optamos por pesquisar matéria escura 'ultraleve':partículas que são teoricamente mais leves do que os neutrinos."

Os pesquisadores levantam a hipótese de que a matéria escura ultraleve é ​​extremamente leve, mais leve ainda do que os neutrinos. Se tais partículas de matéria escura existissem, sua densidade seria tão grande que eles seriam melhor vistos como um fluido que permeia a galáxia, produzindo uma perturbação ondulatória na matéria normal.

"A hipótese da matéria escura ultraleve é ​​motivada por cenários da teoria das cordas, e além do mais, pode explicar algumas discrepâncias intrigantes entre as previsões de moléculas escuras mais prosaicas e a distribuição de matéria escura em escalas galácticas, "Daniel Grin, outro pesquisador envolvido no estudo, disse Phys.org.

Em seu estudo, Singh, Manley, Grin e seus colegas procuraram por um tipo específico de partícula que faz com que os tamanhos dos átomos oscilem, apelidada de matéria escura escalar. Esta oscilação seria pequena para um único átomo, no entanto, pode ser amplificado em objetos compostos de vários átomos. Objetos que vibram naturalmente em sincronia com esta oscilação podem amplificar o efeito ainda mais, assemelhando-se a um instrumento musical.

"Um elemento chave do nosso trabalho é identificar uma classe de objetos mecânicos que vibram na frequência da matéria escura ultraleve e produzem uma ressonância muito limpa, "Dalziel Wilson, outro pesquisador que conduziu o estudo, disse Phys.org. “Propomo-nos a ouvir estes aparelhos de uma forma muito silenciosa, ambiente criogênico, usando a luz como uma espécie de microfone. "

Os pesquisadores querem usar ressonadores acústicos compactos feitos de hélio superfluido ou materiais de cristal único para pesquisar candidatos escalares de matéria escura. Suas previsões teóricas sugerem que esses ressonadores poderiam acessar um amplo segmento de espaço de parâmetros não testado anteriormente.

Geral, o estudo recente realizado por Singh, Manley, Sorriso, Wilson e seus colegas destacam o potencial dos sistemas mecânicos de última geração na escala cm para detectar matéria escura em regimes anteriormente inexplorados, com massas de partículas individuais variando de 10 ^-48 kg a 10 ^-42 kg. No futuro, esses ressonadores podem, portanto, desempenhar um papel crucial na busca por matéria escura, particularmente no regime ultraleve.

"Ao instigar colaborações entre a óptica quântica e as comunidades de física de alta energia (como fizemos ao envolver o físico de partículas Daniel Grin), podemos desenvolver um melhor entendimento mútuo da motivação e das limitações de novos detectores de matéria escura, "Singh disse.

Fótons escuros, partículas com a hipótese de serem matematicamente semelhantes aos fótons, são um dos candidatos mais populares de matéria escura de vetor. Embora essas partículas nunca tenham sido observadas antes, agora existe uma quantidade substancial de teoria sobre eles.

Em seus estudos futuros, os pesquisadores gostariam de usar ressonadores compactos para procurar fótons escuros. Seus cálculos iniciais sugerem que esses dispositivos mecânicos poderiam estabelecer novos limites sobre a intensidade com que os fótons escuros se acoplariam à matéria normal, mas isso só pode ser confirmado por estudos experimentais.

"No momento, estamos projetando um experimento para pesquisar matéria escura vetorial, que se acopla à posição ao invés do tamanho dos átomos, "Wilson disse." Uma corda simples ou ressonador mecânico semelhante a um tambor seria sensível a este tipo de vibração. Interessantemente, esforços para medir o movimento quantizado de nanoestruturas e membranas em escala de cm, no campo da optomecânica de cavidades, já poderia definir novas restrições sobre a existência de tal matéria escura. "

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