Os cientistas aprenderam muito sobre o universo, mas esse conhecimento representa apenas uma pequena fração do quadro completo. Aproximadamente 95% do cosmos é composto de matéria escura e energia escura, restando apenas 5% da matéria familiar que podemos ver ao nosso redor. O Dr. Rupak Mahapatra, um físico experimental de partículas da Texas A&M University, está trabalhando para descobrir essa maioria oculta ao projetar detectores semicondutores avançados equipados com sensores quânticos criogênicos. Essas tecnologias apoiam experimentos ao redor do mundo e ajudam os pesquisadores a se aprofundar em um dos maiores mistérios da ciência.
Mahapatra compara a compreensão limitada da humanidade sobre o universo à falta dessa compreensão a uma parábola bem conhecida. “É como tentar descrever um elefante apenas tocando sua cauda. Sentimos algo massivo e complexo, mas estamos apenas agarrando uma parte minúscula disso.”
Mahapatra e seus co-autores tiveram recentemente seu trabalho destacado na respeitada revista Applied Physics Letters.
O Que São Matéria Escura e Energia Escura?
A matéria escura e a energia escura recebem esse nome por aquilo que os cientistas ainda não sabem sobre elas. A matéria escura compõe a maior parte da massa encontrada em galáxias e aglomerados de galáxias, desempenhando um papel importante na formação de sua estrutura através de vastas distâncias cósmicas. A energia escura se refere à força por trás da expansão acelerada do universo. Simplificando, a matéria escura atua como uma cola cósmica, enquanto a energia escura impulsiona o espaço a se expandir cada vez mais rápido.
Embora ambas sejam abundantes, nem a matéria escura nem a energia escura emitem, absorvem ou refletem luz, o que torna a observação direta extremamente difícil. Os cientistas, portanto, estudam sua influência através da gravidade, que afeta como as galáxias se movem e como as estruturas em larga escala se formam. A energia escura é o componente dominante, representando cerca de 68% da energia total do universo, enquanto a matéria escura contribui com aproximadamente 27%.
Detectando Sussurros em um Furacão
Na Texas A&M, o grupo de pesquisa de Mahapatra está desenvolvendo detectores com uma sensibilidade extraordinária. Esses instrumentos são projetados para detectar partículas que interagem com a matéria comum apenas em raras ocasiões, interações que podem fornecer pistas críticas sobre a natureza da matéria escura.
“O desafio é que a matéria escura interage de maneira tão fraca que precisamos de detectores capazes de ver eventos que podem ocorrer uma vez por ano ou até uma vez por década,” disse Mahapatra.
Seu time participou de uma busca global de ponta por matéria escura usando um detector conhecido como TESSERACT. “Trata-se de inovação,” disse. “Estamos encontrando maneiras de amplificar sinais que antes estavam enterrados no ruído.”
A Texas A&M está entre um pequeno grupo de instituições que participam dos experimentos TESSERACT.
Aumentando os Limites da Detecção
Os esforços atuais de Mahapatra se baseiam em décadas de experiência no avanço de métodos de detecção de partículas. Nos últimos 25 anos, ele contribuiu para o experimento SuperCDMS, que realizou algumas das buscas mais sensíveis por matéria escura no mundo. Em um artigo marcante de 2014 publicado na Physical Review Letters, Mahapatra e seus colaboradores introduziram a detecção de ionização calorimétrica assistida por voltagem no experimento SuperCDMS — um avanço que tornou possível o estudo de WIMPs de baixa massa, um candidato promissor para a matéria escura. Esse avanço melhorou significativamente a capacidade dos cientistas de detectar partículas que antes estavam além do alcance.
Em 2022, Mahapatra co-autorizou outro estudo que examinou múltiplas abordagens para encontrar um WIMP, incluindo detecção direta, detecção indireta e buscas em colisor. O trabalho destaca a importância de combinar diferentes estratégias para enfrentar o problema da matéria escura.
“Nenhum experimento único nos dará todas as respostas,” observa Mahapatra. “Precisamos de sinergia entre diferentes métodos para montar o quadro completo.”
A compreensão da matéria escura vai muito além da curiosidade acadêmica. Pode revelar princípios fundamentais que governam o próprio universo. “Se conseguirmos detectar a matéria escura, abriremos um novo capítulo na física,” disse Mahapatra. “A busca exige tecnologias de sensoriamento extremamente sensíveis e pode levar a tecnologias que nem conseguimos imaginar hoje.”
O Que são WIMPs?
WIMPs (Partículas Massivas Fracamente Interagentes) são considerados 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 são importantes: Se os WIMPs existem, podem explicar a massa ausente do universo.
- Como fazemos a busca: Experimentos como SuperCDMS e TESSERACT dependem de detectores ultrassensíveis resfriados a quase zero absoluto para capturar interações raras entre WIMPs e a matéria comum.
- O desafio: Um WIMP pode passar pela Terra sem deixar nenhum sinal, o que significa que os pesquisadores podem precisar de anos de dados para identificar até mesmo um único evento.
