WIMPs no vento da matéria escura

Sabemos a forma que o vento de matéria escura sopra. Agora só temos que encontrá-lo.

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Corinne Mucha

Artigo traduzido de Symmetry Magazine. Autor: Lori Ann White.

Imagine-se em um carro, sua mão surfando na brisa através da janela aberta. Segure sua palma perpendicular ao vento e você pode sentir sua força. Agora imagine o carro diminuindo a velocidade e sinta a força do vento diminuir até que o carro pare.

Este vento não é devido ao clima. Ele surge devido ao seu movimento relativo às moléculas de ar. Simples o suficiente para ser entendido e conhecido por crianças, cães e viajantes do mundo.

Este vento tem um análogo no mundo rarefeito da astrofísica de partículas chamado de “vento de matéria escura”, e os cientistas esperam que algum dia se torne uma ferramenta valiosa em suas pesquisas sobre esse material elusivo que aparentemente representa cerca de 85% da massa no universo.

Na analogia acima, as moléculas de ar são partículas de matéria escura chamadas WIMPs ou partículas massivas que interagem fracamente. Nosso Sol é o carro, correndo em torno da Via Láctea a cerca de 220 km/s. Juntos, nos movemos através de um halo de matéria escura que abrange nossa galáxia. Mas nosso planeta é um passageiro turbulento; ele se move de um lado do Sol para o outro em sua órbita.

Quando você adiciona a velocidade da Terra de 30 km/s à velocidade do Sol, como acontece quando ambos estão viajando na mesma direção (em direção à constelação Cygnus), então o vento da matéria escura é sentido mais fortemente. Mais WIMPs estão se movendo através do planeta do que se estivesse em repouso, resultando em maior número de detecções pelos experimentos. Subtraia essa velocidade quando a Terra está do outro lado de sua órbita, e o vento é sentido de forma mais fraca, resultando em menos detecções.

Os astrofísicos têm pensado no vento da matéria escura há décadas. Entre os primeiros, em 1986, estavam o teórico David Spergel da Universidade de Princeton e seus colegas Katherine Freese da Universidade de Michigan e Andrzej K. Drukier (agora na indústria privada, mas ainda procurando WIMPs).

“Observamos como o movimento da Terra ao redor do Sol deve fazer com que o número de partículas de matéria escura detectadas varie regularmente em cerca de 10% ao ano”, diz Spergel.

Pelo menos é o que deve acontecer – se a nossa galáxia realmente estiver incorporada em um halo circular e basicamente homogêneo de matéria escura, e se a matéria escura for realmente composta de WIMPs.

Corinne Mucha

A experiência italiana DAMA/NaI e sua atualização DAMA/Libra afirmam ter visto esta modulação sazonal por décadas, uma afirmação que ainda não foi corroborada por outros experimentos. CoGeNT, um experimento no Laboratório Subterrâneo de Soudan, em Dakota do Sul, pareceu apoiá-los por um tempo, mas agora os sinais são pensados ​​para ser causados por outras fontes, como raios gama de alta energia atingindo uma camada de material fora do germânio do detector, resultando em um sinal que se parece muito com um WIMP.

Na verdade, a confirmação da existência do vento da matéria escura é importante por uma simples razão: o padrão de modulação não pode ser explicado por nada a não ser a presença da matéria escura. É o que se chama um fenômeno “independente do modelo”. Nenhum fundo natural – nenhum raio cósmico, nenhum neutrino solar, nenhum decaimento radioativo – mostraria uma modulação similar. O vento da matéria escura pode fornecer uma maneira de continuar explorando a matéria escura, mesmo se as partículas sejam suficientemente leves para que as experiências não possam distingui-las de partículas quase sem massa chamadas neutrinos, que estão constantemente fluindo do Sol e de outras fontes.

“É um prêmio enorme” diz Jocelyn Monroe, professora de física na universidade real de Holloway de Londres, que trabalha atualmente em dois experimentos da detecção da matéria escura, DEAP-3600 em SNOLAB, no Canadá, e DMTPC. “Se você pudesse correlacionar as detecções com a direção na qual o planeta está se movendo, você teria uma prova inequívoca” da matéria escura.

Ao mesmo tempo que Spergel e seus colegas estavam explorando a modulação sazonal do vento, ele também percebeu que essa correlação poderia estender muito além de uma variação duas vezes por ano nos níveis de detecção. A localização da Terra em sua órbita afetaria a direção na qual os nucleons, as partículas que compõem o núcleo de um átomo, recuam quando atingidos por WIMPs. Um detector suficientemente sensível deve ver não apenas as variações bianuais, mas mesmo as variações diárias, uma vez que o detector muda constantemente sua orientação para o vento da matéria escura enquanto a Terra gira.

“Inicialmente eu pensava que não valia a pena escrever o artigo, porque nenhuma experiência tinha a sensibilidade para detectar a direção do retrocesso”, diz ele. “Entretanto, eu percebi que se eu apontasse o efeito, os experimentadores espertos encontrarão eventualmente uma maneira de detectá-la.”

Monroe, como o líder da colaboração DMTPC, é um membro do conjunto inteligente experimentalista. O DMTPC, ou Dark Matter Time-Projection Chamber, é um de um pequeno número de experimentos de detecção direta que são projetados para controlar os movimentos reais de átomos recuados.

Em vez de cristais semicondutores ou gases nobres liquefeitos, estas experiências utilizam gases de baixa pressão como material alvo. O DMTPC, por exemplo, utiliza tetrafluoreto de carbono. Se um WIMP atinge uma molécula de tetrafluoreto de carbono, a baixa pressão na câmara significa que a molécula tem espaço para se mover – até cerca de 2 milímetros.

“Fazer o detector é super difícil”, diz Monroe. “Tem de mapear uma trilha de 2 milímetros em 3D.” Sem mencionar que a redução do número de moléculas em uma câmara de detecção reduz as chances de uma partícula de matéria escura atingir uma. De acordo com Monroe, O DMTPC irá lidar com essa questão através da fabricação de uma matriz com módulos de 1 metro cúbico de tamanho. O primeiro módulo já foi construído e uma colaboração mundial de cientistas de cinco diferentes experiências de matéria escura direcional (incluindo o DMTPC) estão trabalhando no próximo passo juntos: uma matriz de matéria escura direcional muito maior chamada experimento CYGNUS (CosmoloGY with NUclear recoilS).

Quando e se tais detectores direcionais de matéria escura elevarem seus dedos metafóricos para testar a direção do vento da matéria escura, Monroe diz que eles serão capazes de ver muito mais do que apenas variações sazonais nas detecções. Os cientistas serão capazes de ver as variações de recuos atômicos não numa base sazonal, mas em uma base diária. Monroe prevê uma espécie de telescópio de matéria escura com o qual estudar a estrutura do halo em nosso pequeno canto da Via Láctea.

Ou não.

Há sempre uma chance de que essa próxima geração de detectores de matéria escura, ou a geração seguinte, ainda não veja nada.

Mesmo isso, diz Monroe, é o progresso.

“Se ainda estivermos procurando em 10 anos, poderemos dizer que não são WIMPs, mas algo ainda mais exótico. Tanto quanto podemos dizer agora, a matéria escura tem que ser algo novo lá fora”.

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