Os astrônomos não sabem o que é matéria escura, mas sabem que ela ocupa aproximadamente 25% do universo. Um poderoso detector, subterrâneo em uma mina de minas em Minnesota, pode ser capaz de chegar ao fundo do mistério. O projeto Cryogenic Dark Matter Search II tentará detectar partículas maciças com interação fraca (também conhecida como WIMPS). Essas partículas teóricas normalmente não interagem com a matéria, mas uma colisão rara ocasional pode ser detectável.
"É cada vez mais difícil se afastar do fato de que existe uma substância que compõe a maior parte do universo que não podemos ver", diz Cabrera. "As próprias estrelas e galáxias são como as luzes da árvore de Natal neste enorme navio que está escuro e não absorve nem emite luz".
Enterrado no subsolo de uma mina em Minnesota, está o projeto de Cabrera, chamado Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). O físico Bernard Sadoulet, da Universidade da Califórnia-Berkeley, atua como porta-voz do esforço. Dan Bauer, do Fermilab, é seu gerente de projetos, e Dan Akerib, da Case Western Reserve University, é o vice-gerente de projetos. Uma equipe de 46 cientistas de 13 instituições colabora no projeto.
Para capturar um WIMP
O experimento é o mais sensível do mundo, com o objetivo de detectar partículas exóticas chamadas WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), que são uma das melhores suposições dos cientistas sobre o que compõe a matéria escura. Outras opções incluem neutrinos, partículas teorizadas chamadas axions ou mesmo matéria normal, como buracos negros e estrelas anãs marrons que são muito fracas de ver.
Pensa-se que os WIMPS tenham carga neutra e pesam mais de 100 vezes a massa de um próton. No momento, essas partículas elementares existem apenas na teoria e nunca foram observadas. Os cientistas acham que ainda não os encontraram porque são extremamente difíceis de capturar. O WIMPS não interage com a maioria das matérias - as partículas tímidas passam através de nossos corpos -, mas o CDMS II visa capturá-las em uma rara colisão com os átomos nos detectores especiais do projeto.
"Essas partículas passam principalmente pela Terra sem se espalhar", diz Cabrera. “A única razão pela qual temos a chance de ver eventos é porque [existem] tantas partículas que muito raramente uma delas entra [no detector] e se espalha.”
Os detectores estão escondidos sob camadas de terra na mina Soudan de Minnesota para protegê-los dos raios cósmicos e de outras partículas que podem colidir com os detectores e serem confundidos com matéria escura. De fato, metade da batalha para os cientistas que trabalham no CDMS II é proteger seus instrumentos o máximo possível de tudo, menos o WIMPS, e desenvolver sistemas elaborados para diferenciar a matéria escura e as partículas mais mundanas.
"Nosso detector é uma coisa em forma de disco de hóquei que precisa viver a 50 milésimos de grau acima do zero absoluto", diz Walter Ogburn, estudante de Stanford que trabalha no projeto. "É difícil deixar as coisas tão frias."
Para esse fim, os instrumentos estão aninhados em uma lata chamada geladeira, forrada com seis camadas de isolamento, da temperatura ambiente do lado de fora ao mais frio do lado de dentro. Isso mantém os detectores tão frios que até os átomos não tremem.
Os detectores são feitos de cristais de silício sólido e germânio sólido. Os átomos de silício ou germânio permanecem imóveis em uma treliça perfeita. Se o WIMPS colidir com eles, eles irão mexer e emitir pequenos pacotes de calor chamados fônons. Quando os fônons sobem à superfície dos detectores, eles criam uma mudança em uma camada muito sensível de tungstênio, que os pesquisadores podem gravar. Um segundo circuito do outro lado do detector mede íons, partículas carregadas que seriam liberadas pela colisão de um WIMP e um átomo no detector.
"Esses dois canais nos permitem discriminar entre diferentes tipos de interações", diz Ogburn. "Algumas coisas fazem mais ionização e outras, menos, então você pode dizer a diferença dessa maneira."
É preciso um esquadrão de cientistas em várias instalações para construir os detectores. A equipe compra os cristais de uma empresa externa, e os pesquisadores do Centro de Sistemas Integrados de Stanford fabricam instrumentos de medição nas superfícies dos detectores. "Usamos as mesmas coisas para fazer essas que as pessoas usam para fabricar microprocessadores porque elas também são super pequenas", diz Matt Pyle, outro estudante de pós-graduação no laboratório de Cabrera.
Grupos de pistas
Um subconjunto de WIMPS, chamado neutralinos, são as partículas mais leves esperadas pela supersimetria, uma teoria que prevê um posicionamento para cada partícula que já observamos. Se o CDMS II for bem-sucedido em encontrar neutralinos, essa seria a primeira evidência de supersimetria. "A supersimetria sugere que existe um setor totalmente diferente de partículas que são parceiras das partículas existentes", diz Cabrera. “Há muitas maneiras pelas quais a supersimetria parece muito provável. Mas ainda não há evidências diretas de qualquer par de partículas [supersimétricas]. "
As fracas interações do WIMPS são o motivo pelo qual, embora as partículas de matéria escura tenham massa e obedeçam às leis da gravidade, elas não se aglomeram em galáxias e estrelas como a matéria normal. Para aglomerar-se, as partículas devem colidir e grudar. Mas o WIMPS costumava voar direito um pelo outro. Além disso, como os WIMPS são neutros, eles não formam átomos, o que exige a atração de prótons com carga positiva por elétrons com carga negativa.
"A matéria escura permeia tudo", diz Cabrera. "Simplesmente nunca entrou em colapso como os átomos."
Como a matéria escura nunca formou estrelas e outros objetos celestes familiares, por muito tempo os cientistas nunca souberam que ela estava lá. A indicação mais antiga de sua existência ocorreu na década de 1930, quando Fritz Zwicky, um astrônomo suíço-americano, observou aglomerados de galáxias. Ele acrescentou as massas de galáxias e notou que não havia massa suficiente para explicar a gravidade que deve existir para manter os aglomerados unidos. Algo mais deve fornecer a massa que faltava, ele deduziu.
No final da década de 1970, Vera Rubin, astrônoma americana, mediu a velocidade das estrelas na Via Láctea e em outras galáxias próximas. Enquanto olhava para as bordas dessas galáxias, ela descobriu que as estrelas não giravam mais lentamente do que os cientistas esperavam. "Isso não fazia sentido", diz Cabrera. "A única maneira de entender isso é se houver muito mais massa lá do que o que você viu à luz das estrelas."
Ao longo dos anos, mais e mais evidências de matéria escura se acumularam. Embora os cientistas ainda não saibam o que é, eles têm uma ideia melhor de onde está e quanto deve haver. "Ainda há muito pouco espaço de manobra para quantidades diferentes", diz Cabrera.
"Não vimos nada que pareça um sinal interessante até o momento", diz ele. Mas os pesquisadores do CDMS II continuam a busca. O mesmo acontece com outros grupos. O ZEPLIN, um experimento realizado por físicos da Universidade da Califórnia-Los Angeles e da Dark Matter Collaboration do Reino Unido, visa capturar WIMPs em cubas líquidas de xenônio em uma mina perto de Sheffield, Inglaterra. E no Polo Sul, está em construção um projeto da Universidade de Wisconsin-Madison chamado IceCube que usará sensores ópticos enterrados no fundo do gelo para procurar neutrinos, partículas de alta energia que são assinaturas de aniquilações do WIMP.
Enquanto isso, o CDMS II continua a evoluir. Seus pesquisadores estão construindo detectores cada vez maiores para aumentar suas chances de encontrar o WIMPS. No futuro, a equipe espera construir um detector de 1 tonelada que possa descobrir muitos dos tipos mais prováveis de WIMPS, se eles existirem. "Estamos captando dados agora com mais do dobro da massa alvo de germânio do que tínhamos antes, então estamos definitivamente explorando um novo território agora", diz Ogburn. "Mas há muito mais para cobrir."
Fonte original: Stanford News Release
