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% como a matéria familiar que podemos ver ao nosso redor. Rupak Mahapatra, físico experimental de partículas da Texas A&M University, está trabalhando para descobrir essa maioria oculta projetando detectores semicondutores avançados equipados com sensores quânticos criogênicos. Estas tecnologias apoiam experiências em todo o mundo e estão 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 captamos apenas uma pequena parte dele.”
Mahapatra e seus coautores tiveram recentemente seu trabalho publicado na respeitada revista Cartas de Física Aplicada.
O que são matéria escura e energia escura?
A matéria escura e a energia escura recebem esse nome devido ao que os cientistas ainda não sabem sobre elas. A matéria escura constitui a maior parte da massa encontrada em galáxias e aglomerados de galáxias, desempenhando um papel importante na formação da sua estrutura através de vastas distâncias cósmicas. A energia escura refere-se à força por trás da expansão acelerada do universo. Simplificando, a matéria escura atua como cola cósmica, enquanto a energia escura impulsiona o próprio espaço a se expandir cada vez mais rápido.
Embora ambos sejam abundantes, nem a matéria escura nem a energia escura emitem, absorvem ou refletem luz, o que torna a observação direta extremamente 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 em grande 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 cerca de 27%.
Detectando sussurros em um furacão
Na Texas A&M, o grupo de pesquisa de Mahapatra está desenvolvendo detectores com sensibilidade extraordinária. Estes instrumentos foram concebidos para detectar partículas que interagem com a matéria comum apenas em raras ocasiões, interacções que podem fornecer pistas críticas sobre a natureza da matéria escura.
“O desafio é que a matéria escura interage tão fracamente que precisamos de detectores capazes de ver eventos que podem acontecer uma vez por ano, ou mesmo uma vez por década”, disse Mahapatra.
Sua equipe desempenhou um papel importante na pesquisa global de matéria escura usando 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 avanço dos métodos de detecção de partículas. Nos últimos 25 anos, ele contribuiu para o experimento SuperCDMS, que conduziu algumas das pesquisas mais sensíveis de matéria escura do mundo. Num artigo histórico de 2014 publicado na Physical Review Letters, Mahapatra e os seus colaboradores introduziram a detecção de ionização calorimétrica assistida por voltagem na experiência SuperCDMS – um avanço que tornou possível estudar WIMPs de baixa massa, um dos principais candidatos à matéria escura. Este avanço melhorou significativamente a capacidade dos cientistas de detectar partículas que antes estavam fora do alcance.
Em 2022, Mahapatra foi coautor de outro estudo que examinou múltiplas abordagens para encontrar um WIMP, incluindo detecção direta, detecção indireta e pesquisas 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 diferentes métodos para reunir o quadro completo.”
Compreender a matéria escura vai muito além da curiosidade acadêmica. Poderia revelar princípios fundamentais que governam o próprio universo. “Se conseguirmos detectar a matéria escura, abriremos um novo capítulo na física”, disse Mahapatra. “A busca precisa de tecnologias de detecção extremamente sensíveis e pode levar a tecnologias que nem podemos imaginar hoje”.
O que são WIMPs?
WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) 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 explicar a falta de massa do universo.
- Como pesquisamos: Experimentos como SuperCDMS e TESSERACT dependem de detectores ultrassensíveis resfriados a quase zero absoluto para capturar interações raras entre WIMPs e matéria comum.
- O desafio: Um WIMP poderia passar pela Terra sem deixar qualquer sinal, o que significa que os investigadores podem precisar de anos de dados para identificar até mesmo um único evento.
