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Com o uso de um experimento de precisão desenvolvido na Universidade de Berna, uma equipe de pesquisa internacional conseguiu reduzir significativamente o escopo da existência de matéria escura. O experimento foi realizado na European Research Neutron Source do Instituto Laue-Langevin, na França, e traz uma importante contribuição para a busca dessas partículas, das quais pouco se sabe.
Observações cosmológicas das órbitas de estrelas e galáxias permitem tirar conclusões claras sobre as forças gravitacionais atrativas que atuam entre os corpos celestes. A descoberta surpreendente: a matéria visível está longe de ser suficiente para explicar o desenvolvimento ou os movimentos das galáxias. Isso sugere que existe outro tipo de matéria, até agora desconhecido. Assim, no ano de 1933, o físico e astrônomo suíço Fritz Zwicky inferiu a existência do que hoje é conhecido como matéria escura. A matéria escura é uma forma postulada de matéria que não é diretamente visível, mas interage por meio da gravidade e consiste em aproximadamente cinco vezes mais massa do que a matéria com a qual estamos familiarizados.
Recentemente, após um experimento de precisão desenvolvido no Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) da Universidade de Berna, uma equipe de pesquisa internacional conseguiu reduzir significativamente o escopo da existência de matéria escura. Com mais de 100 membros, a AEC é uma das principais organizações internacionais de pesquisa no campo da física de partículas. As descobertas da equipe, liderada por Bern, já foram publicadas na revista Cartas de Revisão Física.
O mistério em torno da matéria escura
“O que a matéria escura é realmente feita ainda não está completamente claro”, explica Ivo Schulthess, estudante de doutorado da AEC e principal autor do estudo. O que é certo, porém, é que não é feito das mesmas partículas que compõem as estrelas, o planeta Terra ou nós humanos. Em todo o mundo, experimentos e métodos cada vez mais sensíveis estão sendo usados para procurar possíveis partículas de matéria escura – até agora, no entanto, sem sucesso.
Certas partículas elementares hipotéticas, conhecidas como áxions, são uma categoria promissora de possíveis candidatos a partículas de matéria escura. Uma vantagem importante dessas partículas extremamente leves é que elas podem explicar simultaneamente outros fenômenos importantes na física de partículas que ainda não foram compreendidos.
Experimento de Berna lança luz sobre a escuridão
“Graças a muitos anos de experiência, nossa equipe conseguiu projetar e construir um aparelho de medição extremamente sensível – o experimento Beam EDM”, explica Florian Piegsa, Professor de Baixa Energia e Física de Precisão da AEC, que recebeu um dos prêmios prestigiosos ERC Starting Grants do European Research Council em 2016 por sua pesquisa com nêutrons. Se os áxions elusivos realmente existirem, eles devem deixar para trás uma assinatura característica no aparato de medição.
“Nosso experimento nos permite determinar a frequência rotacional dos spins dos nêutrons, que se movem através de uma superposição de campos elétricos e magnéticos”, explica Schulthess. O giro de cada nêutron individual atua como uma espécie de agulha de bússola, que gira devido a um campo magnético semelhante ao ponteiro dos segundos de um relógio de pulso – mas quase 400.000 vezes mais rápido. “Medimos com precisão essa frequência rotacional e a examinamos em busca das menores flutuações periódicas que seriam causadas pelas interações com os áxions”, explica Piegsa. Os resultados do experimento foram claros: “A frequência rotacional dos nêutrons permaneceu inalterada, o que significa que não há evidências de axions em nossa medição”, diz Piegsa.
Espaço de parâmetros reduzido com sucesso
As medições, que foram realizadas com pesquisadores da França na European Research Neutron Source no Instituto Laue-Langevin, permitiram a exclusão experimental de um espaço de parâmetros de áxions completamente inexplorado anteriormente. Também provou ser possível procurar áxions hipotéticos que seriam mais de 1.000 vezes mais pesados do que era possível anteriormente com outros experimentos.
“Embora a existência dessas partículas permaneça misteriosa, excluímos com sucesso um importante espaço de parâmetros da matéria escura”, conclui Schulthess. Experimentos futuros podem agora basear-se neste trabalho. “Finalmente, responder à questão da matéria escura nos daria uma visão significativa dos fundamentos da natureza e nos levaria um grande passo para uma compreensão completa do universo”, explica Piegsa.
O experimento foi financiado pelo Conselho Europeu de Pesquisa e pela Swiss National Science Foundation
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