Os físicos estão explorando as propriedades nucleares incomuns do tório-229 para desenvolver um “relógio nuclear” ultrapreciso, capaz de detectar forças 10 trilhões de vezes mais fracas que a gravidade.Esta sensibilidade poderá torná-lo a melhor ferramenta para descobrir os efeitos indescritíveis da matéria escura, que distorce subtilmente as propriedades da matéria comum.
Durante quase um século, investigadores de todo o mundo têm tentado compreender a natureza da matéria escura. A matéria escura é uma substância invisível que se acredita constituir cerca de 80% da massa total do universo. Esta substância misteriosa é crucial para explicar muitos fenómenos cósmicos observados, mas até agora tem sido evitada por qualquer experiência direta.
Os cientistas exploraram uma variedade de maneiras de procurá-la, desde a tentativa de criar partículas de matéria escura em aceleradores de partículas de alta energia até a busca pela tênue radiação cósmica que ela pode emitir. Apesar destes esforços, as suas propriedades principais permanecem em grande parte desconhecidas. Embora a matéria escura não interaja com a luz, pensa-se que afecta subtilmente o comportamento da matéria visível, mas os efeitos são tão subtis que os instrumentos existentes não os conseguem medir directamente.
Especialistas sugeriram que a construção de um relógio nuclear – um dispositivo que mede o tempo com base nas oscilações dos núcleos atômicos – poderia ser capaz de detectar os efeitos da matéria escura. Este relógio é tão preciso que mesmo as menores flutuações no seu tempo podem indicar a presença de matéria escura. No ano passado, uma equipa de investigadores na Alemanha e no Colorado alcançou um marco importante ao utilizar o isótopo radioactivo tório-229 nas fases iniciais da construção de tal relógio.
Quando os cientistas do Grupo de Física Teórica do Professor Gilad Pérez no Instituto Weizmann de Ciência souberam deste desenvolvimento, viram uma oportunidade de contribuir para a procura de matéria escura sem esperar que os relógios nucleares estivessem totalmente operacionais. Trabalhando com investigadores na Alemanha, desenvolveram uma nova estratégia para detectar como a matéria escura altera subtilmente as propriedades dos núcleos de tório-229 e publicaram-na na Physical Review X.
As propriedades únicas do Tório-229
Assim como empurrar uma criança em um balanço requer o momento certo para manter um movimento suave e consistente, os núcleos atômicos também têm uma frequência de oscilação ideal, conhecida na física como frequência de ressonância. A radiação exatamente nesta frequência pode fazer com que os núcleos atômicos “oscilem” como um pêndulo entre dois estados quânticos: o estado fundamental e o estado de energia superior.
Na maioria dos materiais, esta frequência de ressonância é alta e requer radiação intensa para excitar os núcleos atômicos. Mas em 1976, os cientistas descobriram que o tório-229, um subproduto do programa nuclear dos EUA, era uma rara exceção. Sua frequência ressonante natural é baixa o suficiente para que possa ser manipulada usando luz ultravioleta relativamente fraca usando tecnologia laser padrão. Isto faz do tório-229 um candidato promissor para o desenvolvimento de relógios nucleares. Num relógio nuclear, o tempo é medido pela “oscilação” dos núcleos atómicos entre estados quânticos, tal como um pêndulo num relógio convencional.
“Os relógios nucleares serão os detectores definitivos – capazes de detectar forças 10 trilhões de vezes mais fracas que a gravidade, com uma resolução 100.000 vezes maior do que as buscas atuais de matéria escura.”
No entanto, o progresso nos relógios nucleares estagnou nas fases iniciais, quando os cientistas tentaram medir a frequência de ressonância do tório-229 com a máxima precisão. Para determinar a frequência de ressonância de um núcleo atômico, os físicos iluminam o núcleo com luz laser de diferentes frequências e observam a energia que ele absorve ou libera durante a transição entre estados quânticos. A partir desses resultados, eles construíram um espectro de absorção e tomaram a frequência que resultou no pico de absorção como a frequência de ressonância do núcleo atômico.
Durante quase cinquenta anos, os cientistas não conseguiram medir a frequência de ressonância do tório-229 com precisão suficiente para construir um relógio nuclear, mas dois grandes avanços foram feitos no ano passado. Primeiro, uma equipe do Instituto Nacional de Metrologia Alemão (PTB) publicou medições relativamente precisas. Poucos meses depois, uma equipe da Universidade do Colorado publicou resultados milhões de vezes mais precisos.
A impressão digital sutil da matéria escura
“Ainda precisamos de maior precisão para desenvolver relógios nucleares”, disse Perez, “mas descobrimos uma oportunidade para estudar a matéria escura”. Ele explicou: "Em um universo consistindo apenas de matéria visível, as condições físicas e o espectro de absorção de qualquer substância permaneceriam inalterados. Mas como a matéria escura nos rodeia, sua volatilidade pode alterar sutilmente a massa dos núcleos atômicos e causar mudanças temporárias em seu espectro de absorção. Nossa hipótese é que ser capaz de detectar pequenos desvios no espectro de absorção do tório-229 com alta precisão poderia revelar a influência da matéria escura e nos ajudar a estudar suas propriedades."
Cálculos teóricos feitos por uma equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Wolfram Ratzinger e outros pós-doutorandos da equipe de Perez mostram que o novo método de medição pode detectar a influência da matéria escura, mesmo que ela seja 100 milhões de vezes mais fraca que a gravidade, que é tão fraca que raramente pensamos nisso em nossas vidas diárias.
“Esta é uma região onde ninguém ainda procurou matéria escura”, disse Ratzinger. "Os nossos cálculos mostram que simplesmente procurar alterações na frequência de ressonância não é suficiente. Precisamos de identificar alterações em todo o espectro de absorção para detectar a influência da matéria escura. Embora ainda não tenhamos descoberto estas alterações, estabelecemos as bases para compreender quando ocorrem. Assim que detectarmos um desvio, podemos usar a sua intensidade e frequência de ocorrência para calcular a massa da partícula de matéria escura responsável pelo desvio."
Mais tarde no estudo, também calculamos como diferentes modelos de matéria escura afetariam o espectro de absorção do tório-229. Esperamos que isto eventualmente ajude a determinar quais modelos são precisos e de que exatamente é feita a matéria escura.
Potencial além da pesquisa da matéria escura
Entretanto, laboratórios de todo o mundo continuam a refinar métodos para medir a frequência de ressonância do tório-229, um processo que deverá demorar vários anos. Se um relógio nuclear for finalmente desenvolvido, poderá revolucionar muitas áreas, incluindo a navegação terrestre e espacial, as comunicações, a gestão da rede eléctrica e a investigação científica.
Os dispositivos de cronometragem mais precisos de hoje são os relógios atômicos, que dependem de elétrons oscilando entre dois estados quânticos. Os relógios atômicos são extremamente precisos, mas têm uma desvantagem significativa: são suscetíveis a interferências elétricas ambientais que afetam sua consistência. Em contraste, os núcleos atômicos são muito menos sensíveis a tais distúrbios.
De acordo com os principais modelos de matéria escura, a misteriosa substância é composta por inúmeras partículas, cada uma pelo menos 1.000.000 de vezes menos massiva que um único eletrão.
"Quando se trata de matéria escura", disse Perez, "os relógios nucleares baseados em tório-229 seriam o detector definitivo. Atualmente, a interferência eletrônica limita nossa capacidade de pesquisar usando relógios atômicos. Mas os relógios nucleares poderiam nos permitir detectar desvios extremamente pequenos em seus sinais reveladores - e é uma pequena mudança na frequência de ressonância - que estimamos que nos permitirá detectar forças 10 trilhões de vezes mais fracas que a gravidade, em uma resolução que é 100.000 vezes melhor do que o que que usamos atualmente em pesquisas de matéria escura."
Compilado de /scitechdaily