Um paleo-detector para a matéria escura: como rochas primitivas podem ajudar a desvendar esse mistério

tulo: Searching for Dark Matter with Paleo-detectors

AutoresS. Baum, A. K. Drukier, K. Freese, M. Górski, & P. Stengel

Instituição do primeiro autorThe Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics, Department of Physics, Stockholm University, Sweden

Status:  [acesso aberto no arXiv]

A matéria escura é, em sua natureza, indescritível. Apesar de podermos detectar sua presença observando sua influência gravitacional, a matéria escura continua invisível porque ela não interage eletromagneticamente. A explicação mais aceita para a matéria escura é a possibilidade da existência de partículas massivas que interagem fracamente conhecidas como WIMPs. Se forem eventualmente observadas, as WIMPs poderiam constituir em uma nova forma de partícula elementar. Sua descoberta iria revolucionar o campo da física de partículas e da cosmologia. Portanto, experimentos de detecção direta (em laboratório) e indireta, pela observação de sua aniquilação ou decaimento (e quem sabe futuramente pela detecção da força quântica induzida pela matéria escura), estão sendo conduzidos para identificá-las.

O astropontos de hoje discute uma nova proposta de detecção direta da matéria escura  envolvendo as WIMPs, que parece mais propícia para cientistas do Jurassic Park do que para físicos de partículas: o paleo-detector.

Os autores do artigo analisam a possibilidade de que rochas primitivas possam conter evidências de interações entre WIMPs e núcleos dos minerais formando um “detector” completamente natural que permitiria aos cientistas de buscar evidências das WIMPs. Esse experimento difere de outras formas de detecção, como as que procuram evidências direta de WIMPs atingindo detectores na Terra. Ao invés disso, o paleo-detector iria traçar mudanças químicas e físicas em escala nanométrica nas rochas como resultado de recuo nuclear induzido pelas WIMPs ocorrido há muito tempo atrás.

Como mostrado na Figura 1, os autores estimam que o paleo-detector é mais sensível que os limites atuais em 2-3 ordens de magnitude para um amplo leque de possíveis massas dos WIMPs. O paleo-detector assume uma posição única comparado com os outros experimentos porque a sua investigação se estende por toda a história da Terra, ao contrário de um experimento de laboratório de curta duração.

Os minerais utilizados no experimento do paleo-detector são extraídos por meio de poços feitos para a perfuração de petróleo e por meio de pesquisa geológica. Investigar essas profundidades extremas é vantajoso pois as rochas podem estar protegidas de radiação contaminante, como raios cósmicos. Os poços necessários para a paleo-detecção devem ter uma extensão de 12km de profundidade – cerca de 5 vezes maiores que os laboratórios funcionais mais profundos no mundo.

Para realizar o estudo, os cientistas realizaram uma análise utilizando quatro tipos de minerais diferentes: Zabuyelite, Halite (ver imagem destacada), Iltisite, e Sylvanite, que podem ser coletadas através de poços profundos. Todas essas rochas possuem densidade relativamente baixa, o que garante que as interações núcleo-WIMPs deixem rastros maiores, e as peculiaridades de suas composições químicas permitem uma preservação perfeita dos rastros em um intervalo de tempo mais longo que o normal. Além disso, os quatro minerais apresentam uma vasta variedade de pesos do núcleo. Essa diversidade faz com que o percurso  gravado na rocha devido ao recuo do núcleo seja diferente para cada caso.

Para procurar por esses rastros, Baum e colaboradores testaram a efetividade de dois mecanismos distintos de varredura: microscopia eletrônica (EM) e microscopia de raios-X (XRM). EM permite uma melhor (1 nm) resolução, mas requer que as amostras sejam preparadas para o escaneamento. O mecanismo XRM, por outro lado, produz uma resolução um pouco pior do percurso (5-15nm) mas não necessita nenhuma preparação da amostra. A Figura 1 mostra uma comparação entre os limites da sensibilidade atingida com cada método, EM e XRM, para os quatro tipos de minerais em questão.

WIMP
Figura 1: Sensibilidade das interações núcleon-WIMP para cada um dos quatro minerais analisados em função da massa do WIMP, que é desconhecida atualmente. É possível notar que quanto mais baixa a linha, maior é a sensibilidade para uma dada massa de WIMP. A figura à esquerda mostra amostras analisando usando EM, enquanto à direita tem-se os resultados obtidos com XRM. A região em cinza representa os limites da sensibilidade para outros métodos de detecção direta.

Como mostrado na Figura 1, os autores concluem que o paleo-detector é mais sensível que os limites atuais por 2-3 ordens de magnitude em uma amplo leque de possíveis massas dos WIMPs. O paleo-detector assume uma posição única comparado com os outros experimentos porque a sua investigação se estende por toda a história da Terra, ao contrário de um experimento de laboratório de curta duração.

Embora o uso de relíquias antigas para realizar pesquisas astrofísicas não seja novo, o paleo-detector é um testemunho da criatividade ilimitada dos pesquisadores, crucial para lidar com um problema tão evasivo quanto a matéria escura. Seja para a validação ou exclusão das soluções propostas para desvendar a matéria escura, ambos os métodos de detecção direta e indireta são necessários para pintar um quadro completo dessa massa invisível que nos rodeia. Quem sabe no futuro os cientistas que procuram matéria escura serão não apenas astrofísicos, mas também geólogos.

Original em inglês: A paleo-detector for dark matter: how ancient rocks could help to unravel the mystery, por Thankful Cromartie

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