Você não pode ver isso. Você não pode sentir isso. Mas a substância a que os cientistas se referem como matéria escura pode ser responsável por cinco vezes mais "coisas" no universo do que a matéria regular que forma tudo a partir das árvores, trens e o ar que você respira, para estrelas, planetas e nuvens de poeira interestelar.

Embora os cientistas vejam a assinatura da matéria escura indiretamente na maneira como grandes objetos orbitam uns aos outros - particularmente como as estrelas giram em torno dos centros das galáxias espirais - ninguém sabe ainda o que compõe essa substância. Um dos candidatos é um bóson Z ', uma partícula fundamental que teoricamente existe, mas nunca foi detectada.

Um novo experimento proposto pode ajudar os cientistas a determinar se os bósons Z 'são reais, identificando assim um possível candidato à matéria escura. Para realizar esta tarefa, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), a Universidade de Groningen, na Holanda, o centro de acelerador de partículas canadense TRIUMF e outros colaboradores estão trabalhando para fazer as medições mais precisas até o momento de uma propriedade nuclear que é extremamente difícil de medir, chamada de violação de paridade dependente de spin nuclear (NSD-PV).

O experimento físico - que ainda não foi construído - teria um design de fonte semelhante às fontes atômicas que os cientistas usam atualmente como padrão para cronometragem. Contudo, em vez de átomos solitários, o experimento usaria moléculas compostas de três átomos cada. Atualmente, ninguém construiu uma fonte molecular com moléculas que incluem mais de dois átomos cada. Além disso, ao contrário do anterior, abordagens semelhantes, o método proposto se concentraria em átomos mais leves, como carbono, que são mais fáceis de modelar do que os mais pesados, como o césio usado nos relógios-fonte do NIST.

O papel da equipe, publicado esta semana em Revisão Física A , contém uma proposta para o experimento, bem como os melhores cálculos até o momento de quais medições os pesquisadores podem esperar coletar. Em seus novos cálculos, os pesquisadores foram capazes de prever qual deveria ser o sinal NSD-PV com uma incerteza de apenas 10% - uma precisão muito maior do que antes, disseram os pesquisadores. Se o sinal que os cientistas finalmente obtêm for significativamente maior do que seus cálculos prevêem, seria potencialmente uma assinatura de uma nova física - física que vai além da estrutura de nossa compreensão do universo.

"Nesse trabalho, combinamos nossas novas técnicas experimentais com cálculos nucleares e moleculares de última geração de nossos colaboradores, que abre um caminho para medir algumas das propriedades menos conhecidas de partículas fundamentais que somos capazes de medir, "disse o pesquisador do NIST Eric Norrgard.

Qual é a grande idéia?

O efeito NSD-PV que é o foco deste trabalho está relacionado à força fraca, uma das quatro forças fundamentais do universo. A força fraca é responsável pela decomposição e fusão radioativa, que transformam um tipo de átomo em outro. Ele também desempenha um papel nas forças que mantêm os elétrons orbitando os núcleos atômicos.

Ao contrário das outras forças fundamentais, a força fraca experimenta algo chamado violação de paridade, que foi realmente descoberto no National Bureau of Standards (NBS), a organização que eventualmente se tornou NIST. Violação de paridade é quando, em termos gerais, inverter as coordenadas espaciais de um objeto não inverte seu comportamento. (Se você segurar cinco dedos em um espelho, e seu reflexo mostra quatro, isso é uma violação de paridade!)

No caso do NSD-PV, os pesquisadores esperam algum tipo de violação de paridade. O que eles estão procurando especificamente são aberrações no sinal de violação de paridade - uma medida da violação que é diferente do que eles esperam.

Se seus melhores modelos matemáticos lhes dizem que o sinal NSD-PV deve ser x, mas suas melhores medições mostram que o sinal é realmente y, então, isso pode ser um sinal de que a base para os modelos está incorreta - o que pode indicar que o universo funciona de maneira diferente de como pensávamos. Essa é a importância de medir a violação de paridade NSD.

A maioria dos grupos que medem o NSD-PV olha para os sistemas onde o efeito deve ser maior, em átomos relativamente pesados ​​- átomos com um número maior de prótons e nêutrons. Exemplos são os metais césio (55 prótons) e bário (56 prótons).

Mas mesmo usando átomos pesados, o efeito ainda é tão pequeno que apenas uma equipe na década de 1990 foi capaz de ver qualquer sinal.

O holandês, Os pesquisadores e colaboradores do TRIUMF e do NIST decidiram adotar uma abordagem diferente. E se eles procurassem o efeito em átomos mais leves?

Uma abordagem única

Os átomos pesados ​​têm mais nêutrons, prótons e elétrons, e isso torna difícil calcular seu comportamento. Olhando mais leve, átomos mais simples, os cientistas podem modelar o sistema com maior precisão. Isso significa que embora os pesquisadores procurem um efeito menor, eles podem ter mais certeza quando vêem que é inesperado.

Para fazer seus cálculos, pesquisadores se concentraram em moléculas de três átomos formadas a partir de combinações dos elementos relativamente leves berílio (4 prótons), carbono (6 prótons), nitrogênio (7 prótons), e magnésio (12 prótons). Para o experimento físico proposto, os cientistas irão manipular essas moléculas usando um design de fonte.

Os físicos vêm trabalhando com fontes atômicas há décadas. Eles são uma tecnologia tão robusta que servem como padrão para cronometragem em todo o mundo. Para fazer uma fonte, pesquisadores usam lasers para resfriar átomos até que eles quase parem de se mover. Em seguida, os cientistas usam ímãs para disparar os átomos estacionários para cima no vácuo. Quando eles alcançam o topo de seu arco, a gravidade os puxa de volta para baixo.

Enquanto eles estão sendo manipulados dessa forma controlada, os átomos são sondados por outro laser que os causa fluorescência. Efetivamente, os cientistas podem dizer em que estado quântico estão os componentes das moléculas com base na cor da luz que emitem durante a sondagem.

O estudo proposto será semelhante, exceto que, em vez de átomos individuais, a fonte manipulará moléculas de três átomos.

Realizar o experimento em si será complicado - muito complicado, Norrgard disse, uma vez que capturar moléculas de três átomos ainda está muito além do estado da arte. Ainda, pesquisadores estão dispostos a lidar com a complicação adicional, já que se espera que o sinal NSD-PV nas moléculas seja aproximadamente um trilhão de vezes maior do que em átomos individuais.

"Agora no NIST, estamos trabalhando para resfriar e capturar moléculas diatômicas de dois átomos quimicamente semelhantes, que ainda é muito difícil! ", disse Norrgard." Mas as técnicas, o equipamento e a experiência necessários para capturar moléculas diatômicas nos ajudarão a nos informar sobre como capturar moléculas grandes e nos permitir realizar a medição, "o que poderia levar os cientistas um passo mais perto de determinar se os bósons Z 'existem.