Desde a década de 1980, pesquisadores têm feito experimentos em busca de partículas que compõem a matéria escura, uma substância invisível que permeia nossa galáxia e universo. Matéria escura cunhada porque não emite luz, esta substância, que constitui mais de 80 por cento da matéria em nosso universo, foi demonstrado repetidamente que influencia a matéria comum por meio de sua gravidade. Os cientistas sabem que existe, mas não sabem o que é.

Então, pesquisadores da Caltech, liderado por Kathryn Zurek, um professor de física teórica, voltaram à prancheta para pensar em novas ideias. Eles têm investigado a possibilidade de que a matéria escura seja composta de partículas de "setores ocultos", que são mais leves do que as partículas propostas anteriormente, e poderia, em teoria, ser encontrado usando pequeno, dispositivos subterrâneos de mesa. Em contraste, os cientistas estão procurando por candidatos de matéria escura mais pesados ​​chamados WIMPs (partículas massivas de interação fraca) usando experimentos em grande escala, como o XENON, que é instalado no subsolo em um 70, Tanque de água de 000 galões na Itália.

"A matéria escura está sempre fluindo através de nós, mesmo nesta sala ", diz Zurek, quem primeiro propôs partículas de setor oculto há mais de uma década. "À medida que nos movemos em torno do centro da galáxia, esse vento constante de matéria escura passa quase sempre despercebido. Mas ainda podemos tirar proveito dessa fonte de matéria escura, e projetar novas maneiras de procurar interações raras entre o vento de matéria escura e o detector. "

Em um novo artigo aceito para publicação na revista Cartas de revisão física , os físicos descrevem como as partículas mais leves de matéria escura podem ser detectadas por meio de um tipo de quase-partícula conhecida como magnon. Uma quasipartícula é um fenômeno emergente que ocorre quando um sólido se comporta como se contivesse partículas de interação fraca. Os magnons são um tipo de quasipartícula em que os giros do elétron - que agem como pequenos ímãs - são excitados pela coletividade. Na ideia dos pesquisadores para um experimento de mesa, um material magnético cristalizado seria usado para procurar sinais de magnons excitados gerados pela matéria escura.

"Se as partículas de matéria escura são mais leves que o próton, torna-se muito difícil detectar seu sinal por meios convencionais, "diz o autor do estudo Zhengkang (Kevin) Zhang, um acadêmico de pós-doutorado na Caltech. "Mas, de acordo com muitos modelos bem motivados, especialmente aqueles que envolvem setores ocultos, as partículas de matéria escura podem se acoplar aos spins dos elétrons, de modo que, uma vez que atingem o material, eles vão induzir excitações de spin, ou magnons. Se reduzirmos o ruído de fundo resfriando o equipamento e movendo-o para o subsolo, poderíamos esperar detectar magnons gerados exclusivamente por matéria escura e não matéria comum. "

Tal experimento é apenas teórico neste ponto, mas pode eventualmente acontecer usando pequenos dispositivos alojados no subsolo, provavelmente em uma mina, onde influências externas de outras partículas, como os dos raios cósmicos, pode ser minimizado.

Um sinal revelador de uma detecção de matéria escura nos experimentos de mesa seriam as mudanças no sinal que dependem da hora do dia. Isso se deve ao fato de que os cristais magnéticos que seriam usados ​​para detectar a matéria escura podem ser anisotrópicos, o que significa que os átomos são naturalmente arranjados de tal forma que tendem a interagir com a matéria escura mais fortemente quando a matéria escura vem de certas direções.

"À medida que a Terra se move através do halo galáctico de matéria escura, sente o vento de matéria escura soprando da direção para a qual o planeta está se movendo. Um detector fixado em um determinado local na Terra gira com o planeta, então o vento de matéria escura o atinge de diferentes direções em diferentes momentos do dia, dizer, às vezes de cima, às vezes de lado, "diz Zhang.

"Durante o dia, por exemplo, você pode ter uma taxa de detecção mais alta quando a matéria escura vem de cima do que lateralmente. Se você viu isso, seria muito espetacular e uma indicação muito forte de que você estava vendo matéria escura. "

Os pesquisadores têm outras idéias sobre como a matéria escura pode se revelar, além de através de magnons. Eles propuseram que as partículas mais leves de matéria escura poderiam ser detectadas via fótons, bem como com outro tipo de quasipartícula chamado fônon, que é causado por vibrações em uma estrutura de cristal. Experimentos preliminares baseados em fótons e fônons estão em andamento na UC Berkeley, onde a equipe estava baseada antes de Zurek entrar para o corpo docente do Caltech em 2019. Os pesquisadores dizem que o uso dessas estratégias múltiplas para procurar por matéria escura é crucial porque elas se complementam e ajudariam a confirmar os resultados uns dos outros.

"Estamos procurando novas maneiras de procurar matéria escura porque, dado o quão pouco sabemos sobre a matéria escura, vale a pena considerar todas as possibilidades, "diz Zhang.