Pensar pequeno: Novas idéias na busca de matéria escura

Então, os pesquisadores da Caltech, liderados por Kathryn Zurek, professor de física teórica, ter de volta ido para a prancheta para pensar em novas idéias. Eles foram olhando para a possibilidade de que a matéria escura é feita de partículas "do setor escondido", que são mais leves do que as partículas propostos anteriormente, e poderia, em teoria, ser encontrada usando dispositivos de mesa pequenas, subterrâneos. Em contraste, os cientistas estão à procura de mais pesados ​​candidatos matéria escura chamados WIMPs (fracamente interagindo partículas em massa) utilizando experiências em grande escala, tais como xénon, que é instalado no subsolo, em um tanque de 70.000 litros de água em Itália.

"Matéria escura está sempre fluindo através de nós, mesmo nesta sala", diz Zurek, quem primeiro propôs partículas setor escondidos mais de uma década atrás. "À medida que nos movemos em torno do centro da galáxia, esse vento constante de matéria escura em sua maioria passa despercebida. Mas ainda podemos tirar proveito dessa fonte de matéria escura, e projetar novas maneiras de olhar para raras interações entre o vento matéria escura ea detector."

Em um novo papel aceite para publicação na revista Physical Review Letters, os físicos descrevem como as partículas de matéria escuro mais leves pode ser detectada através de um tipo de quasiparticle conhecido como um Magnon. Um quasiparticle é um fenómeno emergente que ocorre quando um sólido comporta-se como se ele contém fracamente interagindo partículas. Magnon são um tipo de quasiparticle em que spins de elétrons, que agem como pequenos ímãs, são coletividade animado. Na ideia dos pesquisadores para uma experiência de mesa, um material cristalizado magnética seria usado para procurar por sinais de magnons excitadas geradas pela matéria escura.

"Se as partículas de matéria escura são mais leves do que o próton, torna-se muito difícil de detectar o seu sinal por meios convencionais", diz o autor do estudo Zhengkang (Kevin) Zhang, um estudioso de pós-doutorado no Caltech. "Mas, de acordo com muitos modelos bem motivados, especialmente aquelas que envolvem setores ocultos, as partículas de matéria escura pode casal para os spins dos elétrons, de modo que uma vez que eles ataquem o material, eles vão induzir excitações de spin, ou magnons. Se reduzirmos o ruído de fundo pelo arrefecimento do equipamento e movê-lo no subsolo, que poderíamos esperar para detectar magnons gerados unicamente por matéria escura e não matéria comum."

Uma tal experiência é apenas teórico, neste ponto, mas podem, eventualmente, realizar-se utilizando pequenos dispositivos alojados no subsolo, provavelmente numa mina, onde as influências externas a partir de outras partículas, tais como aqueles em raios cósmicos, pode ser minimizado.

Um sinal revelador de uma detecção de matéria escura no table-top experimentos seriam alterações no sinal que depende da hora do dia. Isto é devido ao facto dos cristais magnéticos que seriam usados ​​para detectar a matéria escura pode ser anisotrópica, o que significa que os átomos estão naturalmente disposta de tal maneira que eles tendem a interagir com a matéria escura mais fortemente quando a matéria escura vem em de certas direcções.

"Movimentos como a Terra através da galáxia halo de matéria escura, ele se sente o vento matéria escura soprando da direção em que o planeta está se movendo. Detector A fixada em um determinado local na Terra gira com o planeta, assim os hits vento matéria escura de TI de direções diferentes em diferentes momentos do dia, por exemplo, às vezes de cima, às vezes do lado ", diz Zhang.

"Durante o dia, por exemplo, você pode ter uma taxa de detecção quando a matéria escura vem de cima do que do lado. Se você viu que, seria muito espectacular e uma forte indicação de que você estava vendo a matéria escura."

Os pesquisadores têm outras idéias sobre como a matéria escura pode revelar-se, além de através magnons. Eles propuseram que as partículas de matéria escuro mais leves pode ser detectada através de fotões, bem como com outro tipo de quasiparticle chamado um fonão, que é causada por vibrações na estrutura de cristal. Experimentos preliminares com base em fótons e fônons estão em andamento na Universidade de Berkeley, onde a equipe foi baseado antes Zurek ingressar na faculdade Caltech em 2019. Os pesquisadores dizem que o uso destas múltiplas estratégias de olhar para a matéria escura é crucial, porque eles se complementam e ajudaria a confirmar os resultados de cada um.

"Nós estamos olhando para novas maneiras de olhar para a matéria escura porque, dado o quão pouco sabemos sobre a matéria escura, vale a pena considerar todas as possibilidades", diz Zhang.

fonte: California Institute of Technology. "Thinking small: New ideas in the search for dark matter." ScienceDaily. ScienceDaily, 16 June 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200616155946.htm>.