Traduzido e adaptado por Mateus Lynniker de Phys.Org
A matéria escura pode interagir com fótons e influenciar a estrutura atômica? Um caso para relógios atômicos ópticos: Dois tipos diferentes de tais relógios foram comparados no Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) no âmbito do Centro de Pesquisa Colaborativa DQ-mat e do Cluster of Excellence QuantumFrontiers. É a busca mais precisa de uma interação de matéria escura ultraleve com fótons até o momento.
Os limites de detecção existentes para um possível acoplamento foram aprimorados em mais de uma ordem de magnitude por meio deste trabalho – em uma ampla gama de massas de partículas de matéria escura. Embora nenhuma evidência de um acoplamento de matéria escura tenha sido encontrada, o trabalho nos aproxima da compreensão da natureza e das possíveis interações da matéria escura. Os resultados da investigação foram publicados na edição atual da revista Physical Review Letters.
Observações astronômicas indicam a existência da chamada “matéria escura”, que compõe mais de 80% de toda a matéria e, até onde sabemos, interage com a matéria visível comum apenas por meio da gravidade. Em particular, nenhuma prova da interação com os fótons (as partículas elementares das quais também a luz é composta) foi estabelecida – daí o termo “escuro” para esse tipo de matéria. Permanece um grande mistério do que é feita a matéria escura e se existem interações com a matéria convencional que ainda são desconhecidas.
Uma abordagem teórica particularmente promissora sugere que a matéria escura pode consistir em partículas que são extremamente leves e se comportam mais como ondas do que como partículas individuais: a chamada matéria escura “ultraleve”. Neste caso, até então não descoberto, as interações fracas da matéria escura com os fótons levariam a minúsculas oscilações da constante de estrutura fina.
A constante de estrutura fina é a constante natural que descreve a força da interação eletromagnética. Ele determina as escalas de energia atômica e, assim, influencia as freqüências de transição que são usadas como referência nos relógios atômicos. Como diferentes transições são sensíveis a possíveis mudanças da constante em vários graus, comparações de relógios atômicos podem ser usadas para procurar por matéria escura ultraleve. Para isso, os pesquisadores do PTB passaram a utilizar um relógio atômico particularmente sensível a possíveis mudanças da constante de estrutura fina nessa busca.
Para este propósito, este sensível relógio atômico foi comparado com dois outros relógios atômicos com sensibilidades menores em medições de meses. Os dados de medição resultantes foram investigados em busca de oscilações, a assinatura da matéria escura ultraleve. Como não foram encontradas oscilações significativas, a matéria escura permaneceu “escura”, mesmo sob exame mais detalhado. A detecção da misteriosa matéria escura, portanto, não foi alcançada. A ausência de um sinal permitiu a determinação de novos limites superiores experimentais na força de um possível acoplamento de matéria ultraleve a fótons. Os limites anteriores foram melhorados em mais de uma ordem de grandeza em uma ampla faixa.
Ao mesmo tempo, os pesquisadores também estudaram se a constante de estrutura fina pode mudar com o tempo, por exemplo, aumentando ou diminuindo muito lentamente. Tal variação não foi detectada nos dados. Aqui, os limites existentes também foram reduzidos, indicando que a constante permanece constante mesmo por longos períodos de tempo.
Em contraste com comparações de relógios anteriores, onde cada relógio atômico exigia seu próprio sistema experimental, dois dos três relógios atômicos foram realizados em uma única configuração experimental neste trabalho. Para tanto, foram utilizadas duas frequências de transição diferentes de um único íon aprisionado: O íon foi interrogado alternadamente em ambas as transições ópticas. Este é um passo importante para tornar as comparações de frequência óptica ainda mais compactas e robustas – por exemplo, para uma busca futura por matéria escura no espaço.
