Os cientistas sabem muito sobre o universo, mas esse conhecimento representa apenas uma pequena parte de todo o universo. Cerca de 95% do universo é composto de matéria escura e energia escura, sendo apenas 5% o material familiar que vemos ao nosso redor. Rupak Mahapatra, físico experimental de partículas da Texas A&M University, está trabalhando para revelar essa maioria oculta projetando detectores semicondutores avançados equipados com sensores quânticos de baixa temperatura. Estas tecnologias apoiam experiências em todo o mundo e ajudam os investigadores a obter uma compreensão mais profunda de um dos maiores mistérios da ciência.
Mahapatra comparou a compreensão limitada (ou a falta dela) do universo pela humanidade a uma fábula bem conhecida. “É como tentar descrever um elefante tocando sua cauda. Sentimos algo enorme e complexo, mas capturamos apenas uma pequena parte dele.”
Mahapatra e seus coautores publicaram recentemente seu trabalho nesta respeitada revista Cartas de Física Aplicada.
O que são matéria escura e energia escura?
A matéria escura e a energia escura têm o nome de algo que os cientistas ainda não entendem. 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. Em suma, a matéria escura actua como cola cósmica, enquanto a energia escura impulsiona o próprio espaço a expandir-se cada vez mais rapidamente.
Embora tanto a matéria escura como a energia escura sejam abundantes, nenhuma delas emite, absorve ou reflete luz, tornando a observação direta extremamente difícil. Em vez disso, os cientistas estudam a sua influência através da gravidade, que afecta a forma como as galáxias se movem e como as estruturas de grande escala se formam. A energia escura é o principal componente, representando aproximadamente 68% da energia total do universo, enquanto a matéria escura representa aproximadamente 27%.
Detectando sussurros em furacões
Na Texas A&M University, o grupo de pesquisa de Mahapatra está desenvolvendo detectores com sensibilidade extraordinária. Estes instrumentos foram concebidos para detectar partículas que interagem com a matéria comum apenas em casos raros, e estas interacções podem fornecer pistas importantes sobre a natureza da matéria escura.
“O desafio é que a matéria escura interage tão fracamente que precisamos de detectores que possam observar eventos que ocorrem uma vez por ano ou mesmo uma vez por década”, disse Mahapatra.
A sua equipa desempenha um papel na principal pesquisa mundial de matéria escura, utilizando um detector chamado TESSERACT. “É uma questão de inovação”, disse ele. “Estamos procurando maneiras de amplificar sinais que antes estavam ocultos no ruído”.
A Texas A&M University faz parte de um pequeno grupo de instituições que participam do experimento TESSERACT.
Rompendo os limites de detecção
Os esforços atuais de Mahapatra baseiam-se em décadas de experiência no avanço de métodos de detecção de partículas. Nos últimos 25 anos, ele contribuiu para o experimento SuperCDMS, que conduz algumas das pesquisas mais sensíveis do mundo sobre matéria escura. Num artigo marcante de 2014 na Physical Review Letters, Mahapatra e os seus colaboradores introduziram a detecção de ionização calorimétrica assistida por voltagem numa experiência SuperCDMS – um avanço que tornou possível estudar WIMPs de baixa massa, um dos principais candidatos à matéria escura. Este avanço aumenta significativamente a capacidade dos cientistas de detectar partículas anteriormente indetectáveis.
Em 2022, Mahapatra foi coautor de outro estudo que explorou vários métodos de localização de WIMPs, incluindo detecção direta, detecção indireta e pesquisas em colisores. Este trabalho destaca a importância de combinar diferentes estratégias para resolver problemas de matéria escura.
“Nenhum experimento pode nos dar todas as respostas”, ressalta Mahapatra. “Precisamos de sinergia entre diferentes abordagens para reunir o quadro completo.”
Compreender a matéria escura vai muito além da curiosidade acadêmica. Pode revelar os princípios fundamentais que governam o próprio universo. “Se conseguirmos detectar a matéria escura, abriremos um novo capítulo na física”, disse Mahapatra. “A busca requer tecnologia de detecção extremamente sensível, o que pode levar a tecnologias que nem podemos imaginar hoje”.
O que é WIMP?
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 porque são tão difíceis de detectar.
- Por que eles são importantes: Se existirem partículas de interação fraca, elas poderiam explicar a falta de massa do universo.
- Como pesquisamos: Experimentos como SuperCDMS e TESSERACT dependem de detectores ultrassensíveis resfriados a quase zero absoluto para capturar interações raras entre WIMPs e matéria comum.
- desafio: Os WIMPs podem passar pela Terra sem deixar rastros, o que significa que os pesquisadores podem precisar de anos de dados para identificar até mesmo um único evento.
