Os cientistas aprenderam muito sobre o universo, mas esse conhecimento representa apenas uma pequena fração da imagem completa. Aproximadamente 95% do cosmos é composto de matéria escura e energia escura, deixando apenas 5% da matéria familiar que podemos ver ao nosso redor. O Dr. Rupak Mahapatra, um físico de partículas experimental da Texas A&M University, está trabalhando para revelar essa maioria oculta ao projetar detectores semicondutores avançados equipados com sensores quânticos criogênicos. Essas tecnologias apoiam experimentos ao redor do mundo e ajudam os pesquisadores a se aprofundar em um dos maiores mistérios da ciência.
Mahapatra compara a compreensão limitada da humanidade sobre o universo — ou a falta dela — a uma parábola bem conhecida. “É como tentar descrever um elefante apenas tocando sua cauda. Sentimos algo imenso e complexo, mas estamos apenas agarrando uma pequena parte disso.”
Mahapatra e seus co-autores tiveram recentemente seu trabalho destacado na respeitada revista Applied Physics Letters.
O Que São Matéria Escura e Energia Escura?
A matéria escura e a energia escura recebem esse nome pelo que os cientistas ainda não sabem sobre elas. A matéria escura constitui a maior parte da massa encontrada em galáxias e aglomerados de galáxias, desempenhando um papel importante na formação de sua estrutura ao longo de vastas distâncias cósmicas. A energia escura refere-se à força que impulsiona a expansão acelerada do universo. Simplificando, a matéria escura atua como uma cola cósmica, enquanto a energia escura faz com que o espaço em si se expanda cada vez mais rápido.
Embora ambas sejam abundantes, nem a matéria escura nem a energia escura emitem, absorvem ou refletem luz, o que torna a observação direta extremamente difícil. Os cientistas, em vez disso, estudam sua influência através da gravidade, que afeta como as galáxias se movem e como as estruturas em grande escala se formam. A energia escura é o componente dominante, representando cerca de 68% da energia total do universo, enquanto a matéria escura contribui com aproximadamente 27%.
Detectando Sussurros em um Furacão
Na Texas A&M, o grupo de pesquisa de Mahapatra está desenvolvendo detectores com uma sensibilidade extraordinária. Esses instrumentos são projetados para detectar partículas que interagem com a matéria comum apenas em raras ocasiões, interações que podem fornecer pistas cruciais sobre a natureza da matéria escura.
“O desafio é que a matéria escura interage de forma tão fraca que precisamos de detectores capazes de ver eventos que podem acontecer uma vez por ano, ou até mesmo uma vez por década,” disse Mahapatra.
Sua equipe teve um papel importante em uma busca global pela matéria escura usando um detector conhecido como TESSERACT. “É sobre inovação,” disse ele. “Estamos encontrando maneiras de amplificar sinais que estavam previamente enterrados em ruído.”
A Texas A&M está entre um pequeno grupo de instituições que participam dos experimentos TESSERACT.
Empurrando os Limites da Detecção
Os esforços atuais de Mahapatra se baseiam em décadas de experiência na melhoria dos métodos de detecção de partículas. Nos últimos 25 anos, ele contribuiu para o experimento SuperCDMS, que realizou algumas das buscas mais sensíveis por matéria escura do mundo. Em um artigo histórico de 2014 publicado na Physical Review Letters, Mahapatra e seus colaboradores introduziram a detecção de ionização calométrica assistida por voltagem no experimento SuperCDMS — um avanço que tornou possível estudar WIMPs de baixa massa, um dos principais candidatos à matéria escura. Esse avanço melhorou significativamente a capacidade dos cientistas de detectar partículas que anteriormente estavam além do alcance.
Em 2022, Mahapatra co-autorizou outro estudo examinando múltiplas abordagens para encontrar um WIMP, incluindo detecção direta, detecção indireta e buscas em colisores. O trabalho destaca a importância de combinar diferentes estratégias para enfrentar o problema da matéria escura.
“Nenhum experimento isoladamente nos dará todas as respostas,” observa Mahapatra. “Precisamos de sinergia entre diferentes métodos para montar a imagem completa.”
Entender a matéria escura vai muito além da curiosidade acadêmica. Isso pode revelar princípios fundamentais que governam o próprio universo. “Se conseguirmos detectar a matéria escura, abriremos um novo capítulo na física,” disse Mahapatra. “A busca precisa de tecnologias de sensoriamento extremamente sensíveis e pode levar a tecnologias que não conseguimos imaginar hoje.”
O Que São WIMPs?
WIMPs (Partículas Massivas Fracamente Interagentes) são considerados uma das possibilidades mais promissoras para a matéria escura. Essas partículas hipotéticas interagiriam através da gravidade e da força nuclear fraca, o que explica por que são tão difíceis de detectar.
- Por que são importantes: Se os WIMPs existirem, podem explicar a massa desaparecida do universo.
- Como buscamos: Experimentos como o SuperCDMS e o TESSERACT dependem de detectores ultra-sensíveis resfriados a quase zero absoluto para capturar interações raras entre WIMPs e a matéria comum.
- O desafio: Um WIMP poderia passar pela Terra sem deixar nenhum sinal, o que significa que os pesquisadores podem precisar de anos de dados para identificar até mesmo um único evento.
