Um
conjunto maciço de galáxias conhecidas como Abell 1689, captadas pelo Hubble. A
lente gravitacional observada pelo Hubble em Abell 1689 indica a presença de
matéria escura. Crédito: NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah
Institute of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin
(STScI),G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), ACS Science Team,
ESA
Muitas
experiências estão atualmente à procura de matéria escura, substância invisível
que os cientistas sabem que existe pelo seu efeito gravitacional sobre
estrelas, galáxias e outros objetos. Na Terra, os cientistas estão usando
aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider
(LHC), para
procurar a matéria escura. Embora os pesquisadores tenham varrido todas as suas
bases de localização, esses detectores podem não ser sensíveis o suficiente
para detectar a matéria escura se a massa da matéria escura for menor do que 10
GeV (10 bilhões de elétrons-volt).
Para
resolver este problema, os físicos estão trabalhando no desenvolvimento de
detectores mais sensíveis. Em um novo estudo, os cientistas propuseram um novo
tipo de detector feito de supercondutores. A matéria escura tem uma massa na
faixa de 1 keV (1000 elétrons-volt) a 10 GeV, até um milhão de vezes mais leve
do que o próton.
“A maior importância
do nosso trabalho é a capacidade potencial para detectar a matéria escura com
massa entre mil a um milhão de vezes mais leve do que a massa do próton,”
disse Kathryn M. Zurek, uma das principais pesquisadoras
envolvidas no trabalho. “Detectores supercondutores são a única proposta para a
matéria escura nesta faixa de massa”.
Embora
a maior parte da matéria escura não interaja com qualquer coisa, os cientistas assumem
que ela interage com a matéria comum de alguma forma, ou então eles não poderiam
detectá-la no laboratório. Mas não está claro se a matéria escura interage com
os elétrons, núcleos, ambos, ou qualquer outra coisa.
Em
geral, os detectores de matéria escura são baseados no princípio de que, se uma
partícula de matéria escura atingisse o detector e interagisse com ele, a
colisão iria produzir outros tipos de partículas, tal como um fóton ou fônons
(um quanta de vibração) numa energia específica. O material do detector é de
extrema importância, pois a interação entre a matéria escura e o detector
determina as propriedades específicas da partícula que é produzida. Alguns dos
detectores mais sensíveis são feitos hoje em dia de xenônio líquido (detector
de LZ), cristal de germânio (SuperCDMS), e outros materiais semelhantes.
No
novo estudo, os físicos mostraram que um detector de matéria escura feito de um
supercondutor, tal como alumínio ultrapuro, pode ser o material mais sensível,
capaz de detectar a matéria escura com uma massa de algumas centenas de keV ou
menos. A sensibilidade resulta do fato de que os supercondutores possuem um band gap de zero ou muito próximo de
zero. O alumínio, por exemplo, tem um pequeno gap na faixa de 0,3 MeV (0,0003 eV).
A
ideia é que uma das partículas de matéria escura que pode estar constantemente
fluindo através da Terra espalhe um elétron livre no supercondutor. Em um
supercondutor, os elétrons livres estão ligados em pares de Cooper com uma
energia de ligação de 0,001 eV. Se uma partícula de matéria escura tem energia
suficiente para promover um elétron acima do gap do material, ele vai quebrar o par de Cooper. Desta forma, o
supercondutor absorve a energia da partícula de matéria escura. Em seguida, um
segundo dispositivo (um calorímetro) mede a energia térmica depositada no
absorvedor, proporcionando evidência direta da partícula de matéria escura.
Os
físicos preveem que melhorias razoáveis na tecnologia de detector de corrente
pode tornar este conceito viável no futuro próximo. Um dos maiores desafios
será reduzir o ruído a partir de fontes diferentes da matéria escura, como o
térmico e o ambiental. Se o detector supercondutor puder ser construído, ele irá
fornecer o teste mais sensível até o momento da matéria escura e dar aos
cientistas uma chance melhor de descobrir do que é feita a maior parte da
matéria no universo.
