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Pela primeira vez, os cientistas aplicaram um novo método promissor para procurar partículas de matéria escura em um acelerador de partículas. O método usado pelos pesquisadores na colaboração internacional JEDI é baseado na observação da polarização do spin de um feixe de partículas no anel de armazenamento Jülich COSY. Eles publicaram seus resultados hoje na revista Revisão Física X.
Cerca de 80% da matéria do universo consiste em uma substância desconhecida e invisível. Essa “matéria escura” já havia sido postulada há cerca de 90 anos. “Essa foi a única maneira de reconciliar a distribuição de velocidade da matéria visível dentro das galáxias com o conhecimento existente”, explica Jörg Pretz, um dos coautores do estudo, que também é vice-diretor do Forschungszentrum Jülich’s Nuclear Physics Institute e professor da RWTH Aachen University. . “Uma forma ‘escura’ de matéria, anteriormente não observada, deve adicionalmente estabilizar as galáxias.”
Os físicos têm procurado por esse assunto desde a década de 1930. A ciência não tem escassez de teorias, mas ninguém ainda conseguiu detectar a matéria escura. “Isso ocorre porque a natureza da matéria escura ainda é completamente obscura”, diz o Dr. Volker Hejny, que também é do Instituto de Física Nuclear de Jülich e, como seu colega Jörg Pretz, é membro da colaboração internacional JEDI que conduziu o experimento. JEDI significa Jülich Electric Dipole moment Investigações e cientistas envolvidos na colaboração têm trabalhado na medição dos momentos de dipolo elétrico de partículas carregadas desde 2011. “A matéria escura não é visível e até agora só se revelou indiretamente através de sua gravidade. efeito é relativamente pequeno, e é por isso que só se torna realmente aparente no caso de massas enormemente grandes – como galáxias inteiras.”
Os físicos teóricos já propuseram várias 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 a detecção altamente complexa de efeitos gravitacionais. Esses métodos incluem axions e partículas semelhantes a axions. “Originalmente, os axions pretendiam resolver um problema na teoria da forte interação da cromodinâmica quântica”, explica Pretz. “O nome axion remonta ao vencedor do Prêmio Nobel de Física, Frank Wilczek, e refere-se a uma marca de detergente: a existência das partículas deveria ‘limpar’ a teoria da física, por assim dizer. “
Para detectar os axions, os cientistas da colaboração JEDI usaram os spins das partículas. “O spin é uma propriedade única da mecânica quântica que faz com que as partículas se comportem como pequenas barras magnéticas”, explica Hejny. “Essa propriedade é utilizada, por exemplo, em imagens médicas para ressonância magnética, ou MRI para abreviar. Como parte desse processo, os spins dos núcleos atômicos são excitados por fortes campos magnéticos externos.”
A tecnologia de ressonância magnética também é usada para procurar matéria escura. Enquanto na ressonância magnética normal os átomos estão em repouso, em um acelerador as partículas se movem quase na velocidade da luz. Isso torna os exames em algumas áreas muito mais sensíveis e as medições mais precisas.
Em seu experimento, os cientistas JEDI utilizaram um recurso especial do acelerador de partículas Jülich COSY, ou seja, o uso de feixes polarizados. “Em um feixe de partículas convencional, os giros das partículas apontam em direções aleatórias”, diz Pretz. “Em um feixe de partículas polarizadas, no entanto, os spins estão alinhados em uma direção.” Existem apenas alguns aceleradores em todo o mundo que têm essa capacidade.
Se, como os cientistas suspeitam, um campo de fundo de axions nos cerca, isso influenciaria o movimento dos spins – e poderia, portanto, ser detectado no experimento. No entanto, o efeito esperado é minúsculo. As medições ainda não são precisas o suficiente. No entanto, embora o experimento JEDI ainda não tenha encontrado evidências de partículas de matéria escura, os pesquisadores conseguiram restringir ainda mais o possível efeito de interação. E talvez ainda mais significativo, eles conseguiram estabelecer um método novo e promissor na busca de matéria escura.
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