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Pesquisadores irão derramar dez toneladas de xenônio líquido em um tanque situado a quase 1,6 quilômetros de profundidade, no coração de uma antiga mina de ouro em Dakota do Sul. Esse experimento extremo espera detectar o historicamente indetectável, uma substância misteriosa que compõe mais de 85% de toda a massa do nosso universo: a matéria escura.

“Uma das características irritantes da matéria escura é que realmente não temos ideia [o que é]”, explica o diretor do projeto LUX-ZEPLIN (LZ), responsável pela experiência, Murdock Gilchriese. “Sabemos que ela existe, mas como uma partícula e qual é a sua massa, há uma grande lacuna”.

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O LZ é um dos três principais experimentos financiados pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE) e Fundação Nacional de Ciência dos EUA que visam detectar diretamente a matéria escura, uma meta que atormenta os cientistas há mais de trinta anos. Esta geração de projetos espera enfrentar o desafio usando sistemas com escala e sensibilidade sem precedentes.

“Você pode dizer que somos os melhores do mundo em não encontrar nada. Quero dizer, as pessoas disseram isso e até agora, é realmente verdade”, diz Gilchriese. “Pode muito bem ser que as pessoas passem mais dez anos e não encontremos absolutamente nada”, completa.

O conceito de matéria escura se originou na década de 1930. O astrônomo Fritz Zwicky acompanhou as velocidades de mais de mil galáxias agrupadas e observou que a atração gravitacional da matéria visível por si só não era forte o suficiente para impedir que o aglomerado se afastasse. Zwick postulou que deve haver matéria que não podemos ver – matéria escura – que contribui com a maior parte da força gravitacional que mantém tudo no lugar.

Quarenta anos depois, os astrônomos Vera Rubin e Kent Ford encontraram mais evidências da matéria escura estudando o movimento das estrelas nas galáxias espirais. Os pesquisadores descobriram que as estrelas que orbitam nas bordas externas dessas galáxias se movem tão rapidamente quanto as do centro, possivelmente devido a um halo de matéria escura que fornece uma força gravitacional extra.

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Mais recentemente, uma fotografia de duas galáxias em colisão, apelidada de Bullet Cluster, exibiu um efeito de lente gravitacional – luz que é dobrada devido à imensa gravidade – que não podia ser explicada apenas pela matéria visível. Os cientistas dizem que essas observações apontam fortemente para a existência de matéria escura, mas exatamente do que essa matéria é feita permanece um mistério.

“[Matéria escura] não é apenas uma esperança – há pistas disso”, afirma Priscilla Cushman, porta-voz de outro experimento de detecção de matéria escura chamado SuperCDMS SNOLAB. “Sabemos o quanto existe, porque essa influência é imensa devido à gravidade. … Isso afeta toda a evolução do nosso universo a partir do Big Bang, porque, se não estivesse lá, não teríamos a aglomeração que vemos atualmente quando observamos as galáxias. Essa gravidade extra, criada pelas partículas de matéria escura, é necessária para formar a estrutura que vemos hoje. Portanto, há toneladas e toneladas de evidências”, completa.

A busca por matéria escura forma o que Cushman chama de “banco de experimentos de três pernas”. A primeira etapa é a detecção indireta, que tenta observar sinais vindos do fundo do universo, como raios gama, que podem ter surgido da aniquilação ou decaimento de partículas de matéria escura. Os cientistas também tentaram criar partículas de matéria escura colidindo dois prótons de alta energia um no outro no Large Hadron Collider, imitando o que poderia ter ocorrido no Big Bang quando todas essas partículas se formaram.

Por fim, experimentos de detecção direta como LZ e SuperCDMS esperam que as partículas de matéria escura interajam ocasionalmente com a matéria normal via força fraca, permitindo que sejam detectadas por instrumentos extremamente sensíveis. Como as características das partículas de matéria escura são completamente desconhecidas, os pesquisadores que tentam detectar diretamente a matéria escura têm um palpite sobre qual a massa que seus detectores devem procurar.

“O problema de tudo isso é que você está procurando uma agulha no palheiro”, diz Cushman. “Para construir um detector, você precisa fazer algumas suposições sobre o quão brilhante é a agulha, e quão grande é, e onde o palheiro diz que você deve começar a procurar primeiro. Então é isso que fazemos quando construímos esses detectores. Pensamos no lugar mais provável e, claro, podemos estar errados. E, à medida que o tempo passa, e não encontramos a agulha onde esperávamos encontrá-la, olhamos cada vez mais fundo no palheiro. “

Via: Smithsonian Magazine