Os cientistas aprenderam muito sobre o universo, mas esse conhecimento representa apenas uma pequena parte de todo o quadro. Aproximadamente 95% do universo é composto de matéria escura e energia escura, restando apenas 5% como a matéria conhecida que podemos ver ao nosso redor. Rupak Mohapatra, físico experimental de partículas da Texas A&M University, está trabalhando para descobrir essa maioria oculta projetando detectores semicondutores avançados equipados com sensores quânticos criogênicos. Estas tecnologias apoiam experiências em todo o mundo e ajudam os investigadores a mergulhar num dos maiores mistérios da ciência.
Mahapatra compara a compreensão limitada da humanidade – ou a falta dela – do universo a uma analogia bem conhecida. “É como tentar tocar o rabo de um elefante e tentar descrevê-lo. Experimentamos algo enorme e complexo, mas captamos apenas uma pequena parte dele.”
Mohapatra e seus coautores publicaram recentemente seu trabalho em uma revista respeitada Artigos de Física Aplicada.
O que é matéria escura e energia escura?
A matéria escura e a energia escura têm nomes que os cientistas ainda não sabem. A matéria escura constitui a maior parte da massa encontrada em galáxias e aglomerados de galáxias, desempenhando um papel importante na formação da sua estrutura através de vastas distâncias cósmicas. A energia escura refere-se à força por trás da expansão acelerada do universo. Simplificando, a matéria escura atua como cola cósmica, enquanto a energia escura faz com que o espaço se expanda cada vez mais rápido.
Embora ambos sejam abundantes, nem a matéria escura nem a energia escura emitem, absorvem ou refletem luz, tornando a observação direta extremamente difícil. Em vez disso, os cientistas estudam os seus efeitos através da gravidade, que afecta a forma como as galáxias se movem e como as estruturas em grande escala se formam. A energia escura é o componente dominante, representando cerca de 68% da energia total do universo, enquanto a matéria escura contribui com cerca de 27%.
Detectando sussurros em furacões
Na Texas A&M, a equipe de pesquisa de Mohapatra está desenvolvendo detectores com sensibilidade extraordinária. Estes instrumentos foram concebidos para detectar partículas que interagem com a matéria comum apenas em raras ocasiões, interacções que podem fornecer pistas críticas sobre a natureza da matéria escura.
“O desafio é que a matéria escura interage tão fracamente que precisamos de detectores capazes de ver eventos que ocorrem uma vez por ano ou mesmo uma vez por década”.
A sua equipa desempenhou um papel de liderança na pesquisa global de matéria escura utilizando um detector conhecido como TESSERACT. “É uma questão de inovação”, disse ele. “Estamos encontrando maneiras de amplificar sinais que antes estavam ocultos no ruído.”
A Texas A&M está entre um pequeno grupo de instituições que participam do experimento TESSERACT.
Ultrapassando os limites de detecção
Os esforços atuais de Mohapatra baseiam-se em décadas de experiência no avanço dos métodos de detecção de partículas. Nos últimos 25 anos, ele contribuiu para o experimento SuperCDMS, que conduziu a busca mais sensível do mundo por matéria escura. Num artigo histórico de 2014 publicado na Physical Review Letters, Mohapatra e os seus colegas introduziram a detecção de ionização calorimétrica assistida por voltagem na experiência SuperCDMS – um avanço que tornou possível estudar WIMPs de baixa massa, um dos principais candidatos à matéria escura. Este avanço melhorou significativamente a capacidade dos cientistas de detectar partículas que antes estavam fora de alcance.
Em 2022, Mohapatra foi coautor de outro estudo que examinou vários métodos para encontrar um WIMP, incluindo detecção direta, detecção indireta e pesquisas em colisores. O trabalho destaca a importância de combinar diferentes técnicas para resolver o problema da matéria escura.
“Nenhum teste nos dará todas as respostas”, observa Mohapatra. “Precisamos de coordenação entre diferentes métodos para montar o quadro completo.”
A curiosidade acadêmica ajuda muito na compreensão da matéria escura. Pode revelar os princípios fundamentais que governam o universo. “Se conseguirmos detectar a matéria escura, abriremos um novo capítulo na física”, disse Mohapatra. “A busca requer tecnologia de detecção altamente sensível e pode levar a tecnologias que nem podemos imaginar hoje”.
O que são WIMPs?
WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) são consideradas uma das possibilidades mais promissoras para a matéria escura. Estas partículas hipotéticas interagiriam através da gravidade e da força nuclear fraca, o que explica por que são tão difíceis de detectar.
- Por que eles são importantes: Se existirem WIMPs, eles poderiam explicar a massa que falta no universo.
- Como pesquisamos: Experimentos como SuperCDMS e TESSERACT dependem de detectores ultrassensíveis para capturar interações raras entre WIMPs e matéria comum que é resfriada até próximo do zero absoluto.
- Desafio: Um WIMP pode passar pela Terra sem deixar rastros, o que significa que os pesquisadores podem precisar de anos de dados para detectar pelo menos um evento.
