Uma nova caça à matéria escura acontece sob a montanha

David D'Angelo nem sempre estava interessado em matéria escura, mas agora ele está na vanguarda da busca pela partícula mais ilusória do universo.

A cerca de uma hora de carro de Roma, há um denso aglomerado de montanhas chamado Gran Sasso d'Italia . Eles são famosos por suas belezas naturais e atraem turistas durante todo o ano, oferecendo resorts de esqui de classe mundial e trilhas para caminhadas no inverno, bem como a oportunidade de nadar no verão. Para o físico italiano de 43 anos David D'Angelo, essas montanhas são como uma segunda casa. Ao contrário da maioria dos visitantes de Gran Sasso, D'Angelo passa a maior parte do tempo sob as montanhas, não sobre eles.

Lá, em um espaço cavernoso a milhares de metros abaixo da superfície da Terra, D'Angelo está trabalhando em uma nova geração de experimentos dedicados à caça de partículas de matéria escura - uma forma exótica de matéria cuja existência é suposta há várias décadas, mas ainda não foi comprovada experimentalmente.

Acredita-se que a matéria escura represente 27% do universo, e a descrição dessa substância ilusória é um dos problemas mais agudos da física moderna. Embora D'Angelo acredite otimista que um avanço ocorrerá durante sua vida - a geração anterior de físicos pensava da mesma maneira. Em princípio, há boas chances de as partículas desejadas por D'Angelo não existirem. No entanto, para os físicos que investigam a natureza fundamental do Universo, a oportunidade de passar uma carreira inteira na “caça aos fantasmas”, como diz D'Angelo, é o preço do avanço da ciência.

O que há por baixo da "grande pedra"?

Em 1989, o Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear abriu o Laboratório Nacional em Gran Sasso , o maior laboratório subterrâneo do mundo dedicado à astrofísica. Três cavernas subterrâneas abundantes em Gran Sasso foram construídas especialmente para físicos - um cenário bastante chique para um centro de pesquisa. A maioria dos laboratórios astrofísicos subterrâneos, como o SNOLAB , organiza espontaneamente o uso de minas antigas ou em operação, e esse fato limita a quantidade de tempo que pode ser gasto no laboratório e os tipos de equipamentos utilizados.

Gran Sasso, localizado a um quilômetro do subsolo para protegê-lo dos barulhentos raios cósmicos que lavam o planeta, abrigou vários experimentos em física de partículas, investigando as fundações do universo. Nos últimos anos, D'Angelo dividiu seu gráfico entre o Observatório Borexino e o Iodeto de Sódio com o Experimento de Rejeição de Fundo Ativo ( SABRE ), que estuda neutrinos solares e matéria escura, respectivamente.


D'Angelo com um protótipo SABRE em funcionamento

Nos últimos 100 anos, a descrição de neutrinos solares e matéria escura são consideradas as tarefas mais importantes da física de partículas. Hoje, o mistério dos neutrinos solares foi resolvido, mas essas partículas ainda são extremamente interessantes para os físicos, porque fornecem muitas informações sobre a fusão nuclear que ocorre em nosso Sol e outras estrelas. Mas a composição da matéria escura ainda é considerada uma das maiores questões da física nuclear. Apesar da natureza completamente diferente dessas partículas, as questões de seu estudo ainda estão relacionadas, uma vez que essas partículas só podem ser detectadas sob condições de radiação de fundo mínima: em milhares de metros no subsolo.

“As montanhas funcionam como um escudo; portanto, se você estiver embaixo delas, experimentará o chamado“ silêncio cósmico ”, disse D'Angelo. "Esta é a parte mais favorita da minha pesquisa: você entra na caverna, começa a trabalhar com o detector e tenta entender os sinais que vê."

Após se formar, D'Angelo conseguiu um emprego no Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear, onde sua pesquisa se concentrou em neutrinos solares, partículas subatômicas sem carga, resultantes da fusão nuclear ao sol. Por quase quatro décadas, os neutrinos solares estiveram no centro de um dos maiores mistérios da astrofísica. O problema era que os instrumentos que mediam a energia dos neutrinos solares produziam muito menos resultados do que os previstos pelo Modelo Padrão - a teoria mais precisa das partículas fundamentais da física.

Dado o quão preciso o modelo padrão era em outros aspectos da cosmologia, os físicos não queriam fazer alterações para explicar essa discrepância. Uma possível explicação foi que os físicos criaram o modelo errado do Sol e que era necessário realizar medições aprimoradas de pressão e temperatura em seu núcleo. No entanto, após uma série de observações nas décadas de 60 e 70, descobriu-se que, no geral, os modelos do Sol eram compostos corretamente e, em seguida, os físicos procuravam o neutrino para obter explicações alternativas.

O Conto de Três Neutrinos

Desde que o físico austríaco Wolfgang Pauli propôs pela primeira vez a existência de neutrinos na década de 1930, eles foram constantemente atraídos por buracos nas teorias. No caso de Pauli, a suposição da existência de partículas extremamente leves sem carga era um "meio desesperado" para explicar por que a lei de conservação de energia não funciona durante o decaimento radioativo. Três anos depois, o físico italiano Enrico Fermi deu um nome a essas partículas hipotéticas. Ele os chamou de " neutrinos " , que em italiano significa "pequenos nêutrons".

Um quarto de século após a suposição de Pauli, dois físicos americanos relataram a primeira evidência de neutrinos em um reator nuclear. No ano seguinte, 1957, Bruno Maksimovich Pontecorvo , físico de ascendência italiana que trabalhou na URSS, desenvolveu a teoria das oscilações de neutrinos . Naquela época, as propriedades dos neutrinos eram pouco estudadas e Pontecorvo sugeriu que existem vários tipos de neutrinos. Nesse caso, ele sugeriu, era possível que os neutrinos pudessem mudar seus tipos.

Em 1975, a teoria de Pontecorvo estava comprovada. Três tipos diferentes ou "aromas" de neutrinos foram descobertos: elétron, múon e tau. Também é importante que as observações de um experimento em Dakota do Sul mostrem que o sol produz neutrinos de elétrons. O único problema foi que menos neutrinos foram detectados no experimento do que o Modelo Padrão previu.

Até o final dos anos 90, havia poucas evidências de que os neutrinos pudessem passar de um sabor para outro. Em 1998, um grupo de pesquisadores que trabalha no Observatório Super Kamiokande no Japão observou oscilações atmosféricas de neutrinos, decorrentes principalmente de interações de fótons com a atmosfera da Terra. Três anos depois, a primeira evidência direta de oscilações de neutrinos solares foi obtida no Sudbury Canadian Observatory (SNO).

Isso, para dizer o mínimo, se tornou um grande evento em cosmologia. O mistério dos neutrinos solares ausentes, ou por que cerca de um terço dos neutrinos que voam do Sol foi observado nos experimentos, foi comparado com as previsões do Modelo Padrão. Se os neutrinos podem oscilar, mudando o aroma, os neutrinos emitidos pelo núcleo do Sol já podem ser de tipos diferentes quando chegam à Terra. Até meados dos anos 80, na maioria dos experimentos na Terra, apenas os neutrinos de elétrons eram pesquisados, o que significa que eles perderam outros dois sabores que aparecem ao longo do caminho do Sol à Terra.

Quando o SNO foi concebido nos anos 80, ele foi projetado para detectar todos os três tipos de neutrinos, não apenas eletrônicos. E essa decisão valeu a pena. Em 2015, diretores de experimentos super-Kamiokande e SNO compartilharam o Prêmio Nobel de física por resolver o mistério de neutrinos solares ausentes.


Detector em Boreksino

Embora o mistério dos neutrinos solares tenha sido resolvido, ainda há muito a ser feito na ciência para entendê-los melhor. Desde 2007, o Observatório Borexino, em Gran Sasso, melhorou a medição das vibrações de neutrinos solares, fornecendo aos físicos informações sem precedentes sobre a fusão nuclear que alimenta o Sol. Lá fora, o observatório se parece com uma enorme esfera de metal e, por dentro, com tecnologia que veio de outro planeta.

No centro da esfera, de fato, há uma enorme bolsa de nylon transparente com um diâmetro de 10 me uma espessura de meio milímetro. A bolsa contém um cintilador líquido, uma mistura química que libera energia quando um neutrino passa por ela. Essa esfera de nylon é suspensa em mil toneladas de fluido tampão purificado e é cercada por 2200 sensores capazes de detectar a energia emitida pelos elétrons, que é liberada quando os neutrinos interagem com um cintilador líquido. Há outro buffer, composto por 3.000 toneladas de água ultrapura, que fornece proteção adicional ao detector. Tudo isso junto fornece a maior proteção do observatório contra a radiação ambiente entre todos os cintiladores de líquidos do mundo.

Na última década, os físicos de Borexino - incluindo D'Angelo, que ingressou no projeto em 2011 - têm usado esse dispositivo exclusivo para observar neutrinos solares de baixa energia gerados por colisões de prótons durante a fusão nuclear no núcleo solar. Dado o quão difícil é detectar essas partículas ultraleves sem carga, que dificilmente interagem com a matéria, seria praticamente impossível detectar neutrinos solares de baixa energia sem uma máquina tão sensível. Quando o SNO detectou diretamente as primeiras oscilações dos neutrinos solares, ele só pôde observar os neutrinos solares mais energéticos devido à interferência da radiação de fundo. E isso representou apenas cerca de 0,01% dos neutrinos emitidos pelo sol. A sensibilidade de Boreksino permite que ele observe os neutrinos solares com energia em uma ordem de magnitude inferior às encontradas pelo SNO, o que abre a possibilidade de criar um modelo incrivelmente refinado de processos solares e fenômenos mais exóticos como supernovas.

"Os físicos levaram 40 anos para descobrir os neutrinos solares, e esse foi um dos mistérios mais interessantes da física de partículas", disse-me D'Angelo. "Algo como o que a matéria escura é agora."

Lançando luz sobre a matéria escura

Se os neutrinos eram uma partícula misteriosa do século XX, a matéria escura é um enigma do nosso tempo. Do mesmo modo que Pauli propôs os neutrinos como um meio desesperado para explicar por que os experimentos parecem violar uma das leis mais fundamentais da natureza, foi sugerida a existência de partículas de matéria escura, uma vez que as observações cosmológicas não convergem.

No início dos anos 30, o astrônomo americano Fritz Zwicky estudou os movimentos de várias galáxias no Veronica Hair Cluster, uma coleção de mais de 1000 galáxias localizadas a cerca de 320 milhões de anos-luz da Terra. Usando os dados publicados por Edwin Hubble , Zwicky calculou a massa de todo o aglomerado galáctico de Veronica's Hair. Quando terminou, ele descobriu algo estranho na dispersão das velocidades das galáxias (a distribuição estatística das velocidades de um grupo de objetos): a distribuição das velocidades era 12 vezes maior que o valor calculado com base na quantidade de matéria.


No laboratório de Gran Sasso

Foi um cálculo inesperado e sua importância não escapou a Zwicky. "Se isso for confirmado " , ele escreveu , "obteremos um resultado surpreendente, segundo o qual haverá muito mais matéria escura do que luminosa".

A ideia de que o Universo consiste principalmente de matéria invisível parecia radical na época de Zwicky - permanece assim até hoje. No entanto, a principal diferença é que os astrônomos de hoje têm muito mais evidências empíricas apontando para sua existência. Em grande parte, isso pode ser atribuído a Vera Rubin , um astrônomo americano cujas medições da rotação de galáxias nas décadas de 1960 e 1970 eliminaram todas as dúvidas sobre a existência de matéria escura. Com base nas medições de Rubin e nas observações subsequentes, os físicos acreditam que a matéria escura representa cerca de 27% de toda a matéria do universo - cerca de sete vezes mais que a matéria bariônica comum que conhecemos. A questão principal é em que consiste?

Desde as observações pioneiras, Rubin já ofereceu muitos candidatos ao título de partículas de matéria escura, mas até agora todos eles evitaram a detecção até dos instrumentos mais sensíveis do mundo. Em parte porque os físicos não sabem ao certo o que estão procurando. Uma pequena parte dos físicos geralmente acredita que a matéria escura pode não ser partículas, mas pode ser um efeito gravitacional exótico. Isso torna o design do experimento semelhante a procurar um carro em um estacionamento próximo a um estádio no qual as chaves encontradas recentemente se encaixam. Há uma chance de o carro estar no estacionamento, mas você deve contornar muitas portas até encontrá-lo - se estiver lá.

Entre os candidatos à matéria escura, existem partículas subatômicas com nomes estúpidos, como axions , gravitino , halo maciço astrofísico compacto (MACHO) e partículas massivas de fraca interação (WIMP). D'Angelo, com colegas de Gran Sasso, adotou o WIMP, que até recentemente era considerado o principal candidato à energia escura.

No entanto, nos últimos anos, os físicos começaram a procurar outras possibilidades, depois que alguns testes críticos falharam em confirmar a existência do WIMP. O WIMP é uma classe de partículas elementares hipotéticas que praticamente não interagem com a matéria bariônica comum e não emitem luz, o que as torna extremamente difíceis de detectar. Esse problema é agravado pelo fato de que ninguém tem certeza exatamente da aparência dos WIMPs. Escusado será dizer que é muito difícil encontrar algo se você não tem certeza do que exatamente está procurando.

Então, por que os físicos pensam que os WIMPs existem? Na década de 1970, os físicos conceberam o Modelo Padrão da física de partículas, que afirmava que tudo no universo consiste em um pequeno conjunto de partículas fundamentais. O Modelo Padrão explica perfeitamente quase tudo o que o Universo pode dar, mas ainda é incompleto porque a gravidade não está incluída. Nos anos 80, uma expansão da SM apareceu sob o nome supersimetria , segundo a qual cada partícula fundamental da SM deveria ter um parceiro. Esses pares são conhecidos como partículas supersimétricas e são usados ​​em explicações teóricas de vários enigmas da física SM, por exemplo, a massa do bóson de Higgs e a existência de matéria escura. Algumas das experiências mais complexas e caras do mundo, como o Large Hadron Collider, foram criadas na tentativa de descobrir esses parceiros supersimétricos, mas até agora nenhuma evidência experimental foi recebida de sua existência.

Muitas das partículas mais leves propostas no modelo supersimétrico são WIMPs e têm nomes como gravitino, sneytrino e neutralino. Muitos físicos ainda consideram o último deles o principal candidato à matéria escura, e pensam que, no início do Universo, ela foi formada em grandes quantidades. Encontrar evidências da presença dessa partícula teórica antiga é o objetivo de muitos experimentos com MT, incluindo o que D'Angelo está trabalhando em Gran Sasso.

D'Angelo me disse que se interessou por matéria escura alguns anos depois de ingressar no laboratório Gran Sasso e começou a contribuir para o experimento DarkSide , que parecia ser uma continuação natural de seu trabalho em neutrinos solares. O DarkSide, de fato, é um enorme tanque cheio de argônio líquido e equipado com sensores incrivelmente sensíveis. Se existirem WIMPs, os físicos acreditam que serão capazes de detectá-los devido à ionização, que aparece devido à sua interação com os núcleos de argônio.

O DarkSide está indo para Gran Sasso desde 2013, e D'Angelo disse que continuará por mais alguns anos. No entanto, ele agora se envolveu em outro experimento com a TM em Gran Sasso chamado SABRE , que também procura evidências diretas da presença de partículas da TM com base na luz que aparece quando a energia é liberada como resultado de suas colisões com cristais de iodeto de sódio.

O dispositivo experimental SABRE foi criado especificamente para se parecer com outro experimento que vem para Gran Sasso desde 1995, sob o nome DAMA. Em 2003, o experimento DAMA começou a procurar flutuações sazonais de partículas de matéria escura previstas na década de 1980 como consequência do movimento da Terra e do Sol em relação ao resto da galáxia. A teoria dizia que a velocidade relativa de quaisquer partículas de matéria escura encontradas na Terra deveria atingir um máximo em junho e um mínimo em dezembro.


David D'Angelo

Por quase 15 anos, o DAMA realmente registrou flutuações sazonais nos detectores que são consistentes com a teoria e com a assinatura esperada das partículas da TM. Parecia que o DAMA foi o primeiro experimento no mundo a descobrir uma partícula de matéria escura. Mas o problema era que o DAMA não podia excluir completamente a possibilidade de que a assinatura encontrada fosse relacionada a alguma outra flutuação sazonal da Terra, e não a mudanças no fluxo de matéria escura associadas ao movimento da Terra ao redor do Sol.

O SABRE deve eliminar a ambiguidade nos dados do DAMA. Depois que todas as falhas forem eliminadas no equipamento, o experimento em Gran Sasso se tornará meio SABRE. A outra metade estará localizada na Austrália, na antiga mina de ouro. A presença de laboratórios nos hemisférios norte e sul deve ajudar a eliminar todos os falsos positivos associados às flutuações sazonais normais. SABRE , .

SABRE , . , ', – .

«, , , , , , — '. – -, , ».

' . « , , , — '. – , . , – ».

- Golovanov.net . e-mail, RSS . .

. , !