Investigando a matéria escura: tecnologia quântica e a busca para resolver o maior mistério do espaço

Cientistas estão empregando tecnologias quânticas avançadas para construir detectores de matéria escura altamente sensíveis, com o objetivo de observar e identificar diretamente a matéria escura, que compõe 80% da matéria do universo.

Um dos maiores mistérios da ciência pode estar um passo mais perto de ser resolvido.

Aproximadamente 80% da matéria no universo é escura, o que significa que não pode ser vista. Na verdade, a matéria escura está passando por nós constantemente – possivelmente a uma taxa de trilhões de partículas por segundo.

Sabemos que ele existe porque podemos ver os efeitos de sua gravidade, mas experimentos até agora não conseguiram detectá-lo.

Tecnologias quânticas avançadas em ação

Aproveitando as mais avançadas tecnologias quânticas, cientistas da Universidade de Lancaster, a Universidade de Oxforde a Royal Holloway, da Universidade de Londres, estão construindo os detectores de matéria escura mais sensíveis até hoje.

A sua exposição pública intitulada “Uma Visão Quântica do Universo Invisível” foi apresentada na edição deste ano da Royal Society Exposição de Ciência de Verão.

Os pesquisadores incluem o Dr. Michael Thompson, o Professor Edward Laird, o Dr. Dmitry Zmeev e a Dra. Samuli Autti de Lancaster, a Professora Jocelyn Monroe de Oxford e o Professor Andrew Casey da RHUL.

O bolsista do EPSRC, Dr. Autti, disse: “Estamos usando tecnologias quânticas em temperaturas ultrabaixas para construir os detectores mais sensíveis até o momento. O objetivo é observar essa matéria misteriosa diretamente no laboratório e resolver um dos maiores enigmas da ciência.”

O experimento está a cerca de um décimo de milésimo de grau acima do zero absoluto em uma geladeira especial; Dr. Autti (à direita). Crédito: Lancaster University

Perspectivas teóricas e abordagens experimentais

Há evidências observacionais indiretas da densidade típica de matéria escura na galáxia, mas a massa das partículas constituintes e suas possíveis interações com átomos comuns são desconhecidas.

A teoria da física de partículas sugere dois prováveis ​​candidatos à matéria escura: novas partículas com interações tão fracas que ainda não as observamos, e partículas muito leves, semelhantes a ondas, denominadas áxions. A equipe está construindo dois experimentos, um para procurar cada um.

Dos dois candidatos, novas partículas com interações ultrafracas poderiam ser detectadas por meio de suas colisões com matéria comum. No entanto, se essas colisões podem ser identificadas em um experimento depende da massa da matéria escura que está sendo pesquisada. A maioria das pesquisas até agora seria capaz de detectar partículas de matéria escura pesando entre cinco e 1.000 vezes mais do que um hidrogênio átomomas é possível que candidatos muito mais leves à matéria escura tenham sido perdidos.

A equipe Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Dark Matter and Cosmology (QUEST-DMC) visa atingir a sensibilidade líder mundial para colisões com candidatos de matéria escura com massa entre 0,01 e alguns átomos de hidrogênio. Para atingir isso, o detector é feito de hélio-3 superfluido, resfriado em um estado quântico macroscópico e instrumentado com amplificadores quânticos supercondutores. A combinação dessas duas tecnologias quânticas cria a sensibilidade para medir assinaturas extremamente fracas de colisões de matéria escura.

Aproveitando a mecânica quântica para detecção de matéria escura

Em contraste, se a matéria escura for feita de áxions, eles serão extremamente leves – mais de um bilhão de vezes mais leves que um átomo de hidrogênio – mas correspondentemente mais abundantes. Os cientistas não seriam capazes de detectar colisões com áxions, mas eles podem procurar por outra assinatura – um sinal elétrico que resulta quando os áxions decaem em um campo magnético. Este efeito só pode ser medido usando um amplificador extremamente sensível que funciona na mais alta precisão permitida pela mecânica quântica. Os sensores quânticos para o setor oculto (A equipe do QSHS está, portanto, desenvolvendo uma nova classe de amplificador quântico que é perfeitamente adequado para procurar um sinal de áxion.

O estande na exposição deste ano permitirá que os visitantes observem o invisível com exposições práticas e imaginativas para todas as idades.

Demonstrando como inferimos matéria escura a partir da observação de galáxias, haverá um giroscópio em uma caixa que se move de maneiras surpreendentes devido ao momento angular invisível. Também haverá bolinhas de gude transparentes em líquido, mostrando como massas invisíveis podem ser observadas usando experimentação inteligente.

Um refrigerador de diluição iluminado demonstrará como a equipe atinge temperaturas ultrabaixas, e um modelo de detector de colisão de partículas de matéria escura mostrará como nosso Universo se comportaria se a matéria escura se comportasse como matéria normal.

Os visitantes podem então procurar matéria escura com um detector de áxions modelo, escaneando a frequência de um receptor de rádio, e também podem criar seu próprio amplificador paramétrico usando um pêndulo.

O cosmólogo Carlos Frenk, membro da Royal Society e presidente do Public Engagement Committee, disse: “A ciência é vital para nos ajudar a entender o mundo em que vivemos – passado, presente e futuro. Peço aos visitantes de todas as idades que venham com a mente aberta, curiosidade e entusiasmo e celebrem as incríveis conquistas científicas que estão beneficiando a todos nós.”

Referência: “QUEST-DMC: Modelagem de fundo e depósito de calor resultante para um bolômetro de hélio-3 superfluido” por S. Autti, A. Casey, N. Eng, N. Darvishi, P. Franchini, RP Haley, PJ Heikkinen, A. Kemp, E. Leason, LV Levitin, J. Monroe, J. March-Russel, MT Noble, JR Prance, X. Rojas, T. Salmon, J. Saunders, R. Smith, MD Thompson, V. Tsepelin, SM West, L. Whitehead, K. Zhang e DE Zmeev, 15 de maio de 2024, Revista de Física de Baixa Temperatura.
DOI: 10.1007/s10909-024-03142-w

A pesquisa nesta exposição é apoiada pelo programa UKRI Quantum Technologies for Fundamental Physics.