Os cientistas aprenderam muito sobre o universo, mas esse conhecimento é apenas uma pequena parte de todo o quadro. Cerca de 95% do universo consiste em matéria escura e energia escura, restando apenas 5% da matéria comum que vemos ao nosso redor. Rupak Mohapatra, físico experimental de partículas da Texas A&M University, está trabalhando para identificar essa maioria oculta desenvolvendo detectores semicondutores avançados equipados com sensores quânticos criogênicos. Estas tecnologias estão a apoiar experiências em todo o mundo e a ajudar os investigadores a aprofundar um dos maiores mistérios da ciência.
Mahapatra compara a compreensão limitada da humanidade sobre o universo – ou a falta dela – a uma parábola bem conhecida. “É como tentar descrever um elefante tocando apenas sua cauda. Sentimos algo enorme e complexo, mas entendemos apenas uma pequena parte.”
Mahapatra e seus coautores publicaram recentemente seu trabalho em uma revista respeitada Cartas sobre física aplicada.
O que é matéria escura e energia escura?
A matéria escura e a energia escura são nomeadas porque os cientistas ainda não as conhecem. A matéria escura constitui a maior parte da massa das galáxias e aglomerados de galáxias, desempenhando um papel importante na formação da sua estrutura ao longo de vastas distâncias cósmicas. A energia escura refere-se à força por trás da expansão acelerada do universo. Simplificando, a matéria escura atua como uma cola cósmica, enquanto a energia escura faz o espaço se expandir 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 muito 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 componente dominante, representando cerca de 68% da energia total do universo, enquanto a matéria escura representa cerca de 27%.
Detectando sussurros em um furacão
Na Texas A&M, o grupo de pesquisa de Mahapatra está desenvolvendo detectores com extrema sensibilidade. Estes instrumentos foram concebidos para detectar partículas que interagem com a matéria comum apenas em raras ocasiões, interacções que podem fornecer pistas importantes sobre a natureza da matéria escura.
“O problema é que a matéria escura interage tão fracamente que precisamos de detectores que possam ver eventos que podem acontecer uma vez por ano ou mesmo uma vez por década”, disse Mohapatra.
A sua equipa desempenhou um papel importante na liderança da 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 dos experimentos TESSERACT.
Ultrapassando os limites da detecção
Os esforços atuais de Mahapatra baseiam-se em décadas de experiência no desenvolvimento de técnicas de detecção de partículas. Nos últimos 25 anos, ele esteve envolvido no experimento SuperCDMS, que conduziu algumas das pesquisas mais sensíveis do mundo sobre matéria escura. Num artigo histórico de 2014 publicado na Physical Review Letters, Mohapatra e os seus colegas introduziram a detecção calorimétrica de ionização assistida por voltagem na experiência SuperCDMS, um avanço que permitiu o estudo de WIMPs de baixa massa, um dos principais candidatos à matéria escura. Este avanço melhorou muito a capacidade dos cientistas de detectar partículas que antes estavam fora de alcance.
Em 2022, Mohapatra foi coautor de outro estudo que analisou diferentes abordagens para a busca de WIMPs, incluindo detecção direta, detecção indireta e buscas em colisores. O trabalho destaca a importância de combinar diferentes estratégias para resolver o problema da matéria escura.
“Nenhuma experiência nos dará todas as respostas”, observa Mahapatra. “Precisamos de sinergia entre os diferentes métodos para obter uma visão completa.”
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 tecnologias de detecção muito sensíveis, e isso pode levar a tecnologias que nem podemos imaginar hoje”.
O que é um WIMP?
WIMPs (partículas massivas de interação fraca) 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 ser responsáveis pela falta de massa do Universo.
- Como pesquisamos: Experimentos como SuperCDMS e TESSERACT dependem de detectores ultrassensíveis resfriados até quase o zero absoluto para capturar as raras interações entre WIMPs e matéria comum.
- Tarefa: Um WIMP pode 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.
