A matéria escura representa cerca de 85% da matéria total do universo, e os cosmólogos acreditam que ela desempenhou um papel importante na formação das galáxias. Sabemos a localização desta chamada matéria escura galáctica graças a pesquisas astronômicas que mapeiam como a luz de galáxias distantes se curva à medida que viaja em nossa direção. Mas até agora, os esforços para detectar matéria escura presa no campo gravitacional da Terra têm resultado de mãos vazias, embora este tipo de matéria escura – conhecida como matéria escura termalizada – deva estar presente em maiores quantidades.
O problema é que a matéria escura termalizada viaja muito mais lentamente do que a matéria escura galáctica, o que significa que a sua energia pode ser demasiado baixa para ser detectada por instrumentos convencionais. Os físicos do Laboratório Nacional SLAC nos EUA propuseram agora uma alternativa que envolve a procura de matéria escura termalizada de uma forma totalmente nova, utilizando sensores quânticos feitos de bits quânticos supercondutores (qubits).
Uma abordagem totalmente nova
A ideia do novo método veio do SLAC Noah Kurinsky, que estava trabalhando redesenhando qubits transmon como sensores ativos para fótons e fônons. Os qubits Transmon precisam ser resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto (-273 °C) antes de se tornarem estáveis o suficiente para armazenar informações, mas mesmo nessas temperaturas extremamente baixas, a energia muitas vezes entra novamente no sistema e perturba os estados quânticos dos qubits. A energia indesejada é normalmente atribuída a aparelhos de resfriamento imperfeitos ou a alguma fonte de calor no ambiente, mas ocorreu a Kurinsky que poderia ter uma origem muito mais interessante: “E se realmente tivermos um sistema perfeitamente frio, e a razão pela qual podemos O que não é possível resfriá-lo de forma eficaz é porque ele está sendo constantemente bombardeado por matéria escura?”
Enquanto Kurinsky ponderava sobre esta nova possibilidade, seu colega do SLAC Rebeca Leane estava desenvolvendo uma nova estrutura para calcular a densidade esperada da matéria escura no interior da Terra. De acordo com estes novos cálculos, que Leane realizou com Anirban Das (agora investigador de pós-doutoramento na Universidade Nacional de Seul, Coreia), esta densidade local de matéria escura pode ser extremamente elevada na superfície da Terra – muito mais elevada do que se pensava anteriormente.
“Das e eu estávamos discutindo quais possíveis dispositivos de baixo limiar poderiam sondar essa alta densidade prevista de matéria escura, mas com pouca experiência anterior nesta área, recorremos a Kurinsky para obter informações vitais”, explica Leane. “Das então realizou cálculos de dispersão usando novas ferramentas que permitem que a taxa de dispersão da matéria escura seja calculada usando a estrutura de fônons (vibração de rede) de um determinado material.”
Limite de baixa energia
Os pesquisadores calcularam que um sensor quântico de matéria escura seria ativado em energias extremamente baixas, de apenas um milésimo de elétron-volt (1 meV). Este limite é muito inferior ao de qualquer detector de matéria escura comparável e implica que um sensor quântico de matéria escura poderia detectar matéria escura galáctica de baixa energia, bem como partículas de matéria escura termalizadas presas ao redor da Terra.
Os pesquisadores reconhecem que ainda há muito trabalho a fazer antes que tal detector veja a luz do dia. Por um lado, eles terão que identificar o melhor material para fazê-lo. “Para começar, estávamos analisando o alumínio, e isso só porque esse é provavelmente o material mais bem caracterizado usado em detectores até agora”, diz Leane. “Mas pode acontecer que, para o tipo de faixa de massa que estamos analisando e para o tipo de detector que queremos usar, talvez haja um material melhor.”
Combate cósmico: investigando a batalha entre a matéria escura e a gravidade modificada
Os investigadores pretendem agora estender os seus resultados a uma classe mais ampla de modelos de matéria escura. “No lado experimental, o laboratório de Kurinsky está testando a primeira rodada de sensores construídos especificamente que visam construir melhores modelos de geração, recombinação e detecção de quasipartículas e estudar a dinâmica de termalização de quasipartículas em qubits, algo que é pouco compreendido”, diz Leane. Mundo da física. "Quasipartículas em um supercondutor parecem resfriar com muito menos eficiência do que se pensava anteriormente, mas à medida que essas dinâmicas forem melhor calibradas e modeladas, os resultados se tornarão menos incertos e poderemos entender como fazer dispositivos mais sensíveis.”
O estudo é detalhado em Physical Review Letters.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/looking-for-dark-matter-differently/
