Por quase um século, cientistas de todo o mundo têm buscado a matéria escura – uma substância invisível que se acredita compor cerca de 80% da massa do universo e é necessária para explicar uma variedade de fenômenos físicos. Diversos métodos têm sido empregados na tentativa de detectar a matéria escura, desde a tentativa de produzi-la em aceleradores de partículas até a busca por radiação cósmica que ela possa emitir no espaço. No entanto, mesmo hoje, muito pouco se sabe sobre as propriedades fundamentais dessa matéria. Embora opere em segundo plano, acredita-se que a matéria escura influencie a matéria visível, mas de maneiras tão sutis que atualmente não podem ser medidas diretamente.
Cientistas acreditam que, se for desenvolvido um relógio nuclear – um que utilize o núcleo atômico para medir o tempo com extrema precisão – até as menores irregularidades em seu funcionamento poderiam revelar a influência da matéria escura. No ano passado, físicos na Alemanha e no Colorado fizeram um avanço em direção à construção de tal relógio, utilizando o elemento radioativo tório-229. Quando pesquisadores do grupo de física teórica do Prof. Gilad Perez no Instituto Weizmann de Ciências souberam desse feito, reconheceram uma nova oportunidade para avançar na busca pela matéria escura, mesmo antes que um relógio nuclear plenamente funcional se tornasse uma realidade. Em colaboração com a equipe alemã, eles publicaram recentemente um estudo na Physical Review X propondo um método inovador para detectar a influência da matéria escura nas propriedades do núcleo de tório-229.
Assim como empurrar uma criança em um balanço requer o tempo certo para manter um movimento suave e consistente, um núcleo atômico também possui uma frequência de oscilação ideal, conhecida na física como frequência de ressonância. Radiação em exatamente essa frequência pode fazer com que o núcleo “balance” como um pêndulo entre dois estados quânticos: um estado fundamental e um estado de alta energia. Na maioria dos materiais, essa frequência de ressonância é alta, exigindo radiação forte para excitar o núcleo. Mas em 1976, cientistas descobriram que o tório-229, um subproduto do programa nuclear dos EUA, era uma rara exceção. Sua frequência de ressonância natural é baixa o suficiente para ser manipulada por tecnologia laser padrão usando a relativamente fraca radiação ultravioleta. Isso fez do tório-229 um candidato promissor para o desenvolvimento de um relógio nuclear, no qual o tempo é medido pelo “balanço” do núcleo entre estados quânticos como um pêndulo em um relógio tradicional.
“Um relógio nuclear seria o detector definitivo – capaz de perceber forças 10 trilhões de vezes mais fracas que a gravidade, com 100.000 vezes a resolução das buscas atuais por matéria escura.”
No entanto, o progresso no relógio nuclear parou na primeira etapa, 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, os físicos projetam um laser sobre ele em frequências variadas e observam quanto de energia é absorvido ou emitido durante a transição entre estados quânticos. Com esses resultados, eles constroem um espectro de absorção, e a frequência que causa maior absorção é considerada a frequência de ressonância do núcleo.
Por quase cinco décadas, os cientistas não conseguiram medir a frequência de ressonância do tório-229 com precisão suficiente para construir um relógio nuclear, mas o ano passado trouxe dois grandes avanços. Primeiro, um grupo do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha (PTB) publicou medições relativamente precisas. Alguns meses depois, uma equipe da Universidade de Colorado divulgou resultados que eram milhões de vezes mais precisos.
“Ainda precisamos de uma precisão ainda maior para desenvolver um relógio nuclear,” diz Perez, “mas já identificamos uma oportunidade de estudar a matéria escura.” Ele explica: “Em um universo composto apenas de matéria visível, as condições físicas e o espectro de absorção de qualquer material permaneceriam constantes. Mas porque a matéria escura nos cerca, sua natureza ondulatória pode mudar sutilmente a massa dos núcleos atômicos e causar deslocamentos temporários em seu espectro de absorção. Hipotetizamos que a capacidade de detectar desvios minúsculos no espectro de absorção do tório-229 com grande precisão poderia revelar a influência da matéria escura e nos ajudar a estudar suas propriedades.”
Cálculos teóricos feitos pela equipe – liderados pelo Dr. Wolfram Ratzinger do grupo de Perez e outros pós-doutorandos – mostraram que as novas medições poderiam detectar a influência da matéria escura mesmo que ela fosse 100 milhões de vezes mais fraca que a gravidade, uma força que é, por si só, fraca e raramente nos passa pela cabeça na vida cotidiana. “Esta é uma região onde ninguém ainda procurou pela matéria escura,” diz Ratzinger. “Nossos cálculos mostram que não basta buscar por deslocamentos na frequência de ressonância sozinha. Precisamos identificar alterações em todo o espectro de absorção para detectar o efeito da matéria escura. Embora ainda não tenhamos encontrado essas mudanças, lançamos as bases para entendê-las quando elas aparecerem. Uma vez que detectemos um desvio, seremos capazes de usar sua intensidade e a frequência em que aparece para calcular a massa da partícula de matéria escura responsável. Mais adiante no estudo, também calculamos como diferentes modelos de matéria escura afetariam o espectro de absorção do tório-229. Esperamos que isso, em última instância, ajude a determinar quais modelos são precisos e do que a matéria escura realmente é feita.”
Enquanto isso, laboratórios ao redor do mundo continuam a refinar a medição da frequência de ressonância do tório-229, um processo que deve levar anos. Se um relógio nuclear eventualmente for desenvolvido, isso poderia revolucionar muitos campos, incluindo navegação terrestre e espacial, comunicações, gerenciamento de rede elétrica e pesquisa científica. Os dispositivos de contagem do tempo mais precisos atualmente são os relógios atômicos, que dependem da oscilação de elétrons entre dois estados quânticos. Estes são altamente precisos, mas têm uma desvantagem significativa: são vulneráveis à interferência elétrica do ambiente, o que pode afetar sua consistência. Os núcleos dos átomos, por outro lado, são muito menos sensíveis a tais distúrbios.
Números da Ciência
De acordo com um modelo líder de matéria escura, a substância misteriosa é composta por inúmeras partículas, cada uma das quais tem uma massa pelo menos 1.000.000 de vezes menor que a de um único elétron.
“Quando se trata de matéria escura,” diz Perez, “um relógio nuclear baseado em tório-229 seria o detector definitivo. No momento, a interferência elétrica limita nossa capacidade de usar relógios atômicos na busca. Mas um relógio nuclear nos permitiria detectar desvios incrivelmente sutis em seu funcionamento – isto é, pequenas mudanças na frequência de ressonância – que poderiam revelar a influência da matéria escura. Estimamos que isso permitirá detectar forças 10 trilhões de vezes mais fracas que a gravidade, proporcionando uma resolução 100.000 vezes melhor do que temos atualmente na nossa busca pela matéria escura.”
O Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) concedeu recentemente uma Subvenção Avançada ao grupo do Prof. Perez para apoiar o desenvolvimento contínuo dessa linha de pesquisa. Também participaram do estudo a Prof. Elina Fuchs e a Dr. Fiona Kirk do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha (PTB), Braunschweig, Alemanha, e da Universidade de Hannover, Alemanha; o Dr. Eric Madge e Chaitanya Paranjape do grupo de Perez no Departamento de Física de Partículas e Astrofísica do Weizmann; e o Prof. Ekkehard Peik e o Dr. Johannes Tiedau do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha (PTB), Braunschweig, Alemanha.
