Cerca de 80% da matéria do universo é uma substância ainda não descoberta chamada “matéria escura”. Embora a sua existência tenha sido teorizada há cerca de 90 anos, os cientistas da colaboração JEDI estão a utilizar tecnologia avançada de aceleradores de partículas para desenvolver novas formas de a detectar, embora as provas conclusivas permaneçam indefinidas.
Cerca de 80% da matéria do universo é uma substância ainda não descoberta chamada “matéria escura”. Embora a existência da matéria escura tenha sido teorizada há cerca de 90 anos, os cientistas da colaboração JEDI, utilizando tecnologia avançada de aceleradores de partículas, estão a desenvolver novas formas de a detectar, embora as provas conclusivas permaneçam ilusórias.
"Esta é a única forma de reconciliar a distribuição de velocidade da matéria visível nas galáxias com o conhecimento atual de que uma forma de matéria 'escura' anteriormente não observada deve estabilizar adicionalmente a galáxia," explica Jörg Pretz, um dos co-autores do estudo. Ele também é vice-diretor do Instituto de Física Nuclear do Urich Research Center e professor da RWTH Aachen University.
Os físicos procuram essa substância desde a década de 1930. Não faltam teorias na comunidade científica, mas ninguém ainda detectou com sucesso a matéria escura. Dr. Volker Hejny disse: "Isso ocorre porque a natureza da matéria escura ainda é completamente obscura."
Heini também é do Instituto Jülich de Física Nuclear e, como seu colega Jörg Pretz, é membro da colaboração internacional JEDI que realizou o experimento. JEDI é a abreviatura de Jülich Electric Dipolemoment Investigations. Os cientistas envolvidos na colaboração têm trabalhado na medição do momento dipolar elétrico de partículas carregadas desde 2011.
"A matéria escura é invisível e até agora apenas se manifestou indiretamente através da sua atração gravitacional. A sua influência é relativamente pequena, razão pela qual é apenas em casos extremamente massivos - como galáxias inteiras - que a matéria escura se torna realmente aparente."
Os físicos teóricos propuseram uma série de partículas elementares hipotéticas das quais a matéria escura poderia ser composta. Dependendo das propriedades dessas partículas, vários métodos podem ser usados para detectá-las – métodos que não requerem detecção altamente sofisticada de efeitos gravitacionais. Esses métodos incluem áxions e partículas semelhantes a áxions.
Nas suas experiências, os cientistas do JEDI aproveitaram uma característica especial do acelerador de partículas COSY da Jülich: a utilização de feixes polarizados. Crédito da foto: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach
“Os áxions foram originalmente desenvolvidos para resolver um problema na teoria da interação forte da cromodinâmica quântica”, explica Pretz. "O nome axion remonta ao ganhador do Prêmio Nobel Frank Wilczek e refere-se a uma marca de detergente: a partícula existe para 'limpar' a teoria da física, por assim dizer."
Para detectar áxions, os cientistas da colaboração JEDI exploraram o spin da partícula. “O spin é uma propriedade única da mecânica quântica que faz com que as partículas se comportem como pequenas barras magnéticas”, explica Hejny. "Por exemplo, a ressonância magnética (MRI) em imagens médicas tira vantagem desta propriedade. Como parte deste processo, a rotação dos núcleos atômicos é excitada por fortes campos magnéticos externos."
A ressonância magnética também tem sido usada para procurar matéria escura. Numa ressonância magnética comum, os átomos estão em repouso, enquanto num acelerador as partículas se movem quase à velocidade da luz. Isto torna as inspeções em determinadas áreas mais sensíveis e as medições mais precisas.
Em seus experimentos, os cientistas do JEDI aproveitaram uma característica especial do acelerador de partículas COSY da Jülich, que é o uso de feixes polarizados. “Em um feixe de partículas convencional, a direção de rotação das partículas é aleatória”, disse Pretz. "Em um feixe de partículas polarizadas, os spins estão alinhados em uma direção." Apenas alguns aceleradores no mundo têm essa capacidade. "
Se, como os cientistas suspeitam, houver um campo de fundo de áxions ao nosso redor, então isso afetará o movimento dos spins - e, portanto, poderá eventualmente ser detectado em experimentos. No entanto, o impacto esperado é mínimo. As medições não são suficientemente precisas. Mas embora a experiência JEDI ainda não tenha encontrado evidências de partículas de matéria escura, os investigadores conseguiram restringir ainda mais os possíveis efeitos de interação. Talvez o mais importante seja o facto de terem conseguido estabelecer uma abordagem nova e promissora na procura de matéria escura.