de Jennifer Ouellette
A matéria escura é a substância misteriosa que abrange por volta de 23% de toda a massa do nosso universo, mas até então tem esquivado as muitas tentativas dos físicos de detectá-la. Talvez, ao invés de procurar por uma partícula de matéria escura, devessem procurar por algo mais parecido com uma onda, uma matéria escura hipotética conhecida como áxion.
Neste caso, talvez devessemos ouvir a matéria escura. Físicos da Universidade de Estocolmo e do instituto de física Max Planck propuseram um desenho novo para um rádio de áxion que emprega plasma frio (gases ou líquidos de partículas carregadas) para fazer exatamente isto em um papel recente da Physical Review Letters.
"Encontrar o áxion é um pouco como sintonizar o rádio: você tem que sintonizar a antena até chegar à frequẽncia certa" disse o coautor Alexander Millar, um pósdoutor na Universidade de Estocolmo. "Ao invés de música, experimentalistas seriam recompensados com a audição da matéria escura que a Terra está passando por."
Muita da caça por matéria escura até então tem focado na chamada partículas massivas que interagem fracamente, ou WIMP. Também houve uma bastante boa razão teórica para focar na classe de massa, mais notavelmente no conceito de supersimetria, aonde cada partícula do Modelo Padrão deveria ter um super parceito que é mais pesado e de classe oposta (férmion ou bóson). Por exemplo, um elétron (da classe férmion) deveria ter um super parceiro bóson chamado de selétron. Um ou mais destes superparceiros deveriam ser capazes de construir a matéria escura.
Mas todos os experimentos que procuram por matéria escura não dão retorno e o espaço paramétrico disponível dentro da classe da massa do WIMP encolhe rapidamente. Físicos sabem que estão se aproximando do pavimento de neutrino, aonde a tecnologia de detecção se tornará tão sensível e será capaz de identificar tantos neutrinos aleatórios, que obter um sinal de matéria escura em todo o ruído se tornará muito mais difícil.
Entra o áxion, o segundo candidato mais promisso para a matéria escura. De acordo com a Mecânica Quântica, partículas podem exibir padrões de comportamento em forma de onda tal como comportamentos de partícula. Então um áxion se comportaria mais como uma onda (ou um pacote de ondas) do que como uma partícula, e o tamanho dos pacotes de onda é inversamento proporcional a sua massa. Significa que estas partículas tão leves não necessariamente precisam ser pequenas. O revés disto é que elas interagem ainda mais fracamente com a matéria comum do que WIMPs, então não podem ser produzidas em grandes colisores, um dos métodos atuais de detectar WIMPs.
Os físicos não sabem qual será a massa de um áxion, então existe um vasto espaço paramétrico no qual procurar, e nenhum instrumento pode cobri-lo por inteiro, de acordo com o coautor Matthew Lawson, também um pósdoutor na Universidade de Estocolmo. É por isso que físicos têm desenvolvido todo tipo de experimentos menores para detectar áxions, de relógios atômicos à barras ressoantes, para brilhar feixes de laser em paredes na chance de que um pouco de matéria escura passe pelo outro lado. Ainda assim, muitos instrumentos até a atual data são capazes de detectar áxions apenas com um alcance de massa bem limitado.
Isso inclui experimentos, mais notavelmente o ADMX e o HAYSTAC, que empregam haloscópios de cavidade ressoante, instrumentos que utilizam um forte campo magnético para converter áxions de matéria escura em fótons de microondas detectáveis. O maior desafio com os haloscópios convencionais é que a classe de massa que podem detectar depende do tamanho do instrumento. Então, para alcançar altas frequências, ou alcances de massa, com haloscópios, é necessário volumes cada vez menores. Então o ADMX e o HAYSTAC têm dificuldades em aumentar sua capacidade de detecção além dos 6GHz.
Lawson et al. propuseram um desenho inovativo para um haloscópio baseado em plasma sintonizável. O instrumento proposto explora o fato de que áxions dentro de um campo magnético gerarão seu próprio campo elétrico. Isto, por torno, impulsiona oscilações no plasma, amplificando o sinal.
A equipe compara a melhora em sensitividade com a diferença entre um walkie-talkie e uma torre de transmissão de rádio. "O legal sobre a nossa idéia é que a ressonância não tem nada a ver com a extensão física" disse Lawson. "Então, mesmo em frequências altas, pode haver um grande volume do qual extrair a matéria escura."
A mesma interação também pode produzir um plasmão, uma quasepartícula que é como uma onda de som exceto que ao invés de ruir um núcleo ou um átomo, rui elétrons. Diz Lawson. Em ordem para produzir plasmões, a frequência característica do plasmas deve equiparar a frequência do áxion (que é determinada pela massa). Então você tem que criar plasmas sintonizáveis.
Lawson e seu bando propuseram que isto pode ser feito com um metamaterial, um fio. Um arranjo de fios paralelos dentro de um cilindro, circundados por um poderoso campo magnético externo. O metamaterial funciona como um transformador. Os fios se acoplam uns aos outros indutivamente, tal que arranjar uma corrente em um arranjará uma corrente em outro. A frequência pode ser então sintonizada mudando o espaçamento entre os fios no arranjo, tornando possível procurar por áxions em um campo muito mais amplo.
Para propósitos de detecção, o plasma frio é preferível. "Tipicamente com qualquer tipo de experimento de detecção de matéria escura, o sinal será fenomenalmente pequeno" diz Lawson. "Então, você quererá um ambiente com o mínimo de ruido possível. Cada vez que o plasma é quente, incandesce." (Quer dizer, um plasma quente gera fótons, adicionando ruido indesejado ao sistema.) "Sem o plasma frio, áxions não podem eficientemente se converter em luz" diz ele. "O plasma tem dupla função, criando um ambiente que permita conversão eficiente, e provendo um plasmão ressoante que sifone a energia da matéria escura convertida."
No presente momento, o desenho de Lawson et al. é teórico, mas diversos grupos experimentais estão trabalhando em construir protótipos. "O fato de que a comunidade experimental se prendeu nesta idéia como um carrapato tão rapidamente é excitante e promissora no prospecto de construir um experimento em larga escala" diz Millar.
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