7 grandes experiências que ainda não encontraram o desejado

Detector de neutrinos Super Kamiokande

Um cientista experimental geralmente é uma profissão ingrata. Você lê notícias sobre experimentos que terminaram com grandes descobertas, mas poucos ouviram falar de tentativas, muitas vezes heróicas, de experimentadores que ainda não descobriram ou observaram para o que foram feitos.

Algumas das tentativas vêm ocorrendo há décadas e veem a mudança de gerações de pessoas, consideram suas horas de trabalho e sua experiência. Entretanto, a ausência de um resultado às vezes tem o mesmo significado científico de qualquer descoberta anunciada: aprendemos sobre o que o mundo real não é ou sobre o que não está nele. Por outro lado, receber algum tipo de resposta positiva de qualquer um desses experimentos teria consequências de longo alcance para nossa compreensão do Universo e nosso lugar nele.

Nós oferecemos uma lista de sete experimentos em andamento, que ainda não encontraram o desejado. Todos eles são surpreendentes em sua genialidade e ambição. Não é de surpreender que eles tentem continuar e apoiá-los.

Para lançar luz sobre a matéria escura, enterre um tanque de xenônio líquido no chão

Os cientistas propuseram a teoria de que os filamentos da matéria escura formam um certo esqueleto no qual todas as galáxias que vemos são mantidas. Cada um deles é cercado por um halo de matéria escura, fornecendo gravidade adicional que explica como as estrelas giram em torno dos centros galácticos. Mas ainda temos que descobrir a matéria escura diretamente. Embora muitas tentativas tenham sido feitas nas últimas décadas para detectar a matéria escura por meio de interações extremamente fracas com a matéria comum, todas falharam.

Entre as várias formas que a matéria escura é capaz de assumir, as chamadas partículas maciças que interagem fracamente (Weimly Interacting Massive Particles, WIMPs) representam uma das oportunidades mais interessantes para especialistas em física de partículas. O experimento LUX , localizado a mais de um quilômetro subterrâneo de uma antiga mina em Dakota do Sul, ajudou a elevar a fasquia por falhas na detecção de WIMPs muito alto. O equipamento é um reservatório com 72.000 toneladas de água de alta pureza que filtra raios cósmicos espúrios. No interior, existe um terço de uma tonelada de xenônio líquido, cercado por sensores sensíveis o suficiente para detectar a luz emitida como resultado de uma colisão de matéria escura com átomos de xenônio.

A falha do LUX em detectar vestígios de matéria escura levou à atualização do LUX-Zeplin - um experimento no qual quase 20 vezes mais xenônio líquido é usado do que no LUX. O novo experimento encontrará algo em que o LUX não possa fazer isso? Aparentemente, a natureza gosta de zombar das esperanças e expectativas dos cientistas.

Para realmente ver as ondas gravitacionais que sobraram do Big Bang, estude diferentes frequências

As ondas gravitacionais (o análogo gravitacional da radiação eletromagnética ou luz) do tempo do Big Bang deveriam ter deixado uma marca única na radiação relíquia observada por nós em todas as direções e deixadas após a explosão que criou o Universo observável. Ele demonstra pequenas flutuações de temperatura e polarização, fornecendo uma fotografia do campo gravitacional ao mesmo tempo - quando o Universo tinha 379.000 anos - quando os primeiros átomos de hidrogênio neutro se formaram. Esse traço deve ser uma imagem polarizada em rotação, cujo termo técnico é o modo B.

A alegria causada pelo anúncio da descoberta de tais B-mods feitos em 2014 pelo BICEP / Keck acabou sendo prematura. O que parecia ser ondas gravitacionais primárias acabou por ser partículas de poeira polarizadas em altas latitudes galácticas, capazes de simular a mesma imagem polarizada em rotação que as ondas gravitacionais deveriam demonstrar.

Apesar disso, o grupo BICEP foi atualizado para a configuração BICEP3 , que consiste em uma matriz de 2500 sensores (bolômetros) projetados para monitorar a radiação de relíquia em frequências muito mais baixas que a versão anterior. Dez anos de observações usando diferentes versões do telescópio BICEP não levaram à descoberta dos modos B das ondas gravitacionais primárias, mas a busca não vai parar - a competição por detectá-las primeiro está apenas aumentando.

Para descobrir se fortes interações nucleares e eletrofracas se combinam, procure um "pop supersônico" à luz

O modelo padrão da física de partículas é o culminar de décadas de interação entre teoria e experimento, desde o nascimento da mecânica quântica até a suposição de que a interação nuclear fraca (responsável por certos tipos de decaimento radioativo) e o eletromagnetismo são aspectos diferentes de uma interação "eletro-fraca". As interações eletromagnéticas e fracas só nos parecem diferentes na escala de um experimento de laboratório típico, uma vez que o campo de Higgs - que dá massa às partículas que interagem com ele - oculta a simetria inerente a essas duas interações.

No modelo padrão, há mais uma forte interação nuclear, que deve se unir à electroweak em energias um trilhão de vezes superior às que podemos alcançar no CERN, na "Grande Unificação". Uma de suas previsões é que o próton deixa de ser estável e pode se decompor em outras partículas - pions e pósitrons - embora raramente o suficiente, de modo que a meia-vida possa ser superior a cem trilhões de trilhões de vezes a idade atual do universo.

Super Kamiokande - e a atualização planejada, Hyper Kamiokande - estão localizados um quilômetro abaixo da montanha no laboratório de Kamioka, no centro do Japão. Esse experimento procura, entre outras coisas, sinais de decaimentos extremamente raros de prótons em tamanhos irrealistas de tanques de água ultrapura. O espaço de varredura em busca de leves lampejos de luz, conhecido como radiação Cherenkov - o equivalente óptico do pop supersônico - Super-Kamiokande está procurando partículas de alta energia nas quais um próton decai.


Radiação Cherenkov no núcleo de um reator de teste avançado no Laboratório Nacional de Idaho

Nada foi descoberto até agora. Mas o Hyper-Kamiokande, cuja sensibilidade planejada será 10 vezes maior, deve começar as observações já em 2020.

Para verificar a supersimetria, sonda o nêutron

O modelo padrão da física de partículas prevê que um nêutron - que, juntamente com um próton, compõe o conteúdo de um núcleo atômico - possui um momento dipolar elétrico (EDM) extremamente pequeno, uma distância fixa que separa duas cargas opostas. É por causa de seu tamanho pequeno, provavelmente, ainda não foi descoberto. Mas teorias que suplementam o Modelo Padrão com supersimetria - uma equivalência hipotética de interações e matéria - geralmente predizem o EDM, 100.000 vezes maior do que o SM prevê.

Ao introduzir restrições sobre a magnitude do EDM de nêutrons, pode-se verificar se a supersimetria está presente na natureza por um método mais rigoroso do que o alcançado pela aceleração de partículas nos colisores. O experimento CryoEDM está apenas tentando fazer isso no Instituto Laue Langevin, em Grenoble, França. Observando a diferença na precessão de spin de nêutrons muito lentos - isto é, na alteração da orientação do eixo de rotação - na presença de campos magnéticos e elétricos, é possível medir com precisão o EDM de nêutrons, se houver, uma vez que a velocidade de precessão depende de sua presença.

Quando o CryoEDM atingir sua sensibilidade calculada, ele poderá excluir ou confirmar a presença de supersimetria. A observação do EDM será uma evidência tentadora da presença de supersimetria na natureza, uma vez que o valor previsto pelo Modelo Padrão é muito pequeno para ser detectado com a atual sensibilidade dos experimentos.

Dê uma olhada na gravidade para perceber dimensões extras.

Se existirem dimensões adicionais, elas podem afetar a operação da gravidade a distâncias muito pequenas. Eles não apenas implicam desvios da lei usual dos quadrados inversos da gravidade newtoniana, mas também implicam a existência de novas forças agindo a curtas distâncias comparáveis ​​à gravidade, violando o chamado princípio de equivalência. O princípio postula que toda a matéria - a bala de canhão, a maçã - cai igualmente em um dado campo gravitacional. E as características das dimensões extras são que os campos que controlam o tamanho das dimensões extras imitam a gravidade, mas apenas a distâncias muito curtas e, ao mesmo tempo, agem de maneira diferente em diferentes tipos de matéria.


Os cientistas sugeriram que medidas adicionais podem assumir a forma de um coletor de Calabi-Yau em 6 dimensões, o que levou à idéia de simetria de espelho

Embora a teoria geral da relatividade de Einstein tenha sido rigorosamente testada em escalas do sistema solar para o universo, os pesquisadores apenas começaram a testá-la em escalas submilimétricas.

Usando escalas de torção calibradas com precisão, o grupo de colaboração Eöt-Wash (nomeado em homenagem ao Barão von Eötvös, que realizou as primeiras experiências desse tipo no início do século XX e na cidade de Washington) da Universidade de Washington está procurando violações do princípio da equivalência - além de desvios da lei quadrados inversos - em escalas aproximando-se de 100.000 de um metro. Até o momento, nenhuma modificação foi encontrada nas leis de Newton ou no princípio da equivalência, o que sugere que, se existirem medidas adicionais, elas estão no estado dobrado muito menos do que alguns décimos de um mícron.

Para observar os "séculos sombrios" cosmológicos, sintonize um sinal de rádio fraco

Houve uma época na história do Universo sobre a qual relativamente pouco se sabe - estes são os chamados séculos sombrios. Esta é a era após a recombinação, após a formação dos primeiros átomos de hidrogênio neutro e antes das primeiras estrelas começarem a brilhar.

O próprio átomo de hidrogênio não irradia nada de especial. Mas, como um planeta orbitando em torno do Sol, também girando em torno de seu eixo, um único elétron orbitando um núcleo de hidrogênio "gira" em torno de seu eixo, que é direcionado na mesma direção ou na direção oposta em relação ao seu movimento orbital. Neste último caso, ele tem menos energia.

Uma pequena parte do hidrogênio neutro, iluminada pela radiação relitória na idade das trevas, foi excitada e transformada em um estado com energia mais alta e a mesma diretividade. E após a transição desses átomos excitados para um estado de baixa energia com uma configuração multidirecional, eles emitem um sinal na frequência de 1,4 GHz, que corresponde a um sinal de rádio muito fraco com comprimento de onda de 21 cm. A detecção da radiação de fundo de 21 cm nos permitirá olhar para a idade das trevas .

O Low Frequency Array ( LOFAR ) é um conjunto de 20.000 antenas de fase localizadas na Europa (a maioria dos Países Baixos), que perscrutam o espaço desde 2012 na esperança de detectar esse sinal fraco. Mas a Terra e a Galáxia em que está localizada são lugares muito barulhentos, e até agora não conseguimos detectar um sinal da idade das trevas que supera o ruído local. Planos ambiciosos estão em andamento para criar a matriz internacional Square Kilometer Array ( SKA ), mas até agora a idade das trevas permanece sombria.

Para encontrar alienígenas, apenas não pare de ouvir

A descoberta de evidências convincentes da existência de outra vida inteligente no Universo será um ponto de virada na vida de nossa civilização. Os esforços coletivos, consistindo em um grande número de experimentos, visavam à busca de sinais extraterrestres de civilizações inteligentes quase tanto quanto o rádio. A idéia é que os sinais de rádio artificiais possam ser distinguidos das fontes naturais (astrofísicas), devido à sua estreita faixa de frequências e à natureza repetitiva, como é o caso das transmissões de rádio humanas. Um candidato sedutor para esse sinal foi descoberto em 1977, embora não tenha sido visto desde então, e a possibilidade de sua origem natural não possa ser descartada.


Observatório Arecibo em Porto Rico participa da busca por inteligência extraterrestre

O experimento SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) está sendo conduzido usando uma variedade de radiotelescópios, incluindo o Conjunto de Antenas de Allen , que foi recentemente equipado com a tecnologia comumente usada para procurar exoplanetas. Os cientistas também a criaram para procurar possíveis megaestruturas alienígenas, cuja existência foi sugerida pelo físico Freeman Dyson. Civilizações desenvolvidas podem construir essas estruturas para coletar diretamente a energia estelar. E, apesar de, durante décadas, nada ter sido descoberto, a busca coletiva por inteligência extraterrestre agora está mais bem equipada do que nunca. Eles tomam medidas em relação à preocupação de Arthur Clark, expressa por ele na famosa frase: “Existem duas possibilidades: estamos sozinhos no universo ou não. Ambos são igualmente assustadores.