Crédito da imagem: Fermilab
Com os primeiros dados de seu observatório subterrâneo no norte de Minnesota, os cientistas da Pesquisa Criogênica das Matérias Escuras observaram com maior sensibilidade do que nunca o reino suspeito do WIMPS. A observação de partículas maciças que interagem fracamente pode resolver o duplo mistério da matéria escura na escala cósmica e da supersimetria na escala subatômica.
O resultado do CDMS II, descrito em um artigo enviado à Physical Review Letters, mostra com 90% de certeza que a taxa de interação de um WIMP com massa de 60 GeV deve ser menor que 4 x 10-43 cm2 ou cerca de uma interação a cada 25 dias por quilograma de germânio, o material no detector do experimento. Este resultado informa aos pesquisadores mais do que jamais souberam sobre o WIMPS, se eles existirem. As medições dos detectores CDMS II são pelo menos quatro vezes mais sensíveis do que a melhor medição anterior oferecida pelo experimento EDELWEISS, um experimento europeu subterrâneo perto de Grenoble, na França.
"Pense nessa sensibilidade aprimorada como um novo telescópio com o dobro do diâmetro e, portanto, quatro vezes a coleção de luz que veio antes dele", disse o porta-voz do CDMS II Blas Cabrera, da Universidade de Stanford. “Agora, conseguimos procurar um sinal com apenas um quarto da luminosidade que já vimos antes. Nos próximos anos, esperamos melhorar nossa sensibilidade em um fator de 20 ou mais. ”
Os resultados estão sendo apresentados na reunião de abril da American Physical Society em 3 e 4 de maio em Denver por Harry Nelson e pelo estudante Joel Sanders, ambos da Universidade da Califórnia em Santa Barbara, e por Gensheng Wang e Sharmila Kamat da Case Western Reserve University.
"Sabemos que nem o nosso Modelo Padrão de física de partículas nem o nosso modelo do cosmos estão completos", disse o porta-voz do CDMS II, Bernard Sadoulet, da Universidade da Califórnia em Berkeley. “Esta peça em falta parece encaixar nos dois quebra-cabeças. Estamos vendo a mesma forma em duas direções diferentes. ”
Os WIMPs, que não cobram nada, são um estudo de contradições. Enquanto os físicos esperam que eles tenham cerca de 100 vezes a massa de prótons, sua natureza fantasmagórica lhes permite deslizar pela matéria comum, deixando apenas um rastro. O termo “interagindo fracamente” não se refere à quantidade de energia depositada quando eles interagem com a matéria normal, mas ao fato de que eles interagem com pouca frequência. De fato, até cem bilhões de WIMPs podem ter sido transmitidos pelo seu corpo enquanto você lê essas primeiras frases.
Com 48 cientistas de 13 instituições, além de outros 28 funcionários de engenharia, técnicos e administrativos, o CDMS II opera com financiamento do Office of Science do Departamento de Energia dos EUA, das divisões de astronomia e física da National Science Foundation e das instituições membros. O Fermi National Accelerator Laboratory do DOE fornece o gerenciamento de projetos para o CDMS II.
"A natureza da matéria escura é fundamental para a nossa compreensão da formação e evolução do universo", disse o Dr. Raymond L. Orbach, diretor do Departamento de Ciência do DOE. "Este experimento não poderia ter tido sucesso sem a colaboração ativa do Escritório de Ciências da DOE e da National Science Foundation".
Michael Turner, diretor assistente de matemática e ciências físicas da NSF, descreveu a identificação do constituinte da matéria escura como um dos grandes desafios da astrofísica e da física de partículas.
"A matéria escura mantém unidas todas as estruturas do universo - incluindo nossa própria Via Láctea - e ainda não sabemos do que a matéria escura é feita", disse Turner. “A hipótese de trabalho é que é uma nova forma de matéria que, se correta, lançará luz sobre o funcionamento interno das forças e partículas elementares. Ao buscar a solução para esse importante quebra-cabeça, o CDMS está agora no topo da lista, com outro fator de 20 em sensibilidade ainda por vir. ”
A matéria escura no universo é detectada através de seus efeitos gravitacionais em todas as escalas cósmicas, desde o crescimento da estrutura no universo inicial até a estabilidade das galáxias hoje. Dados cosmológicos de muitas fontes confirmam que essa matéria escura invisível totaliza mais de sete vezes a quantidade de matéria visível comum que forma as estrelas, planetas e outros objetos no universo.
"Algo lá fora formou as galáxias e as mantém unidas hoje, e não emite nem absorve luz", disse Cabrera. "A massa das estrelas em uma galáxia é apenas 10% da massa de toda a galáxia, então as estrelas são como luzes da árvore de Natal decorando a sala de estar de uma grande casa escura".
Os físicos também acreditam que os WIMPs podem ser as partículas subatômicas ainda não observadas chamadas neutralinos. Isso seria uma evidência da teoria da supersimetria, introduzindo uma nova física intrigante além do modelo padrão atual de partículas e forças fundamentais.
A supersimetria prevê que cada partícula conhecida tenha um parceiro supersimétrico com propriedades complementares, embora nenhum desses parceiros tenha sido observado ainda. No entanto, muitos modelos de supersimetria prevêem que a partícula supersimétrica mais leve, chamada neutralino, tenha uma massa cerca de 100 vezes a do próton.
"Os teóricos criaram todos esses" parceiros supersimétricos "das partículas conhecidas para explicar problemas nas menores escalas de distância", disse Dan Akerib, da Case Western Reserve University. "Em uma daquelas conexões fascinantes das muito grandes e das muito pequenas, o mais leve desses superparceiros poderia ser a peça que faltava para explicar o que observamos nas maiores escalas de distância".
A equipe do CDMS II pratica "astronomia subterrânea", com detectores de partículas localizados a quase 800 metros abaixo da superfície da Terra em uma antiga mina de ferro em Soudan, Minnesota. Os 2.341 pés da crosta terrestre protegem os raios cósmicos e as partículas de fundo que eles produzem. Os detectores são feitos de germânio e silício, cristais semicondutores com propriedades semelhantes. Os detectores são resfriados a um décimo de um grau do zero absoluto, tão frio que o movimento molecular se torna insignificante. Os detectores medem simultaneamente a carga e a vibração produzidas pelas interações das partículas nos cristais. O WIMPS sinalizará sua presença liberando menos carga do que outras partículas para a mesma quantidade de vibração.
"Nossos detectores agem como um telescópio equipado com filtros que permitem aos astrônomos distinguir uma cor da luz da outra", disse Dan Bauer, gerente de projeto do CDMS II, Fermilab. "Somente, no nosso caso, estamos tentando filtrar partículas convencionais em favor dos WIMPS da matéria escura".
O físico Earl Peterson, da Universidade de Minnesota, supervisiona o Laboratório Subterrâneo de Soudan, que também abriga o experimento de neutrinos do Fermilab, a Pesquisa de Oscilação de Neutrinos no Injetor Principal.
"Estou empolgado com o novo resultado significativo do CDMS II e parabenizo a colaboração", disse Peterson. "Estou satisfeito por as instalações do Laboratório Soudan terem contribuído para o sucesso do CDMS II. E estou especialmente satisfeito que o trabalho do Fermilab e da Universidade de Minnesota na expansão do Laboratório Soudan tenha resultado em uma nova física excelente. ”
À medida que o CDSMII procurar WIMPs nos próximos anos, a matéria escura do nosso universo será descoberta ou uma grande variedade de modelos supersimétricos será excluída da possibilidade. De qualquer maneira, o experimento CDMS II desempenhará um papel importante no avanço de nossa compreensão da física de partículas e do cosmos.
As instituições colaboradoras do CDMS II incluem Brown University, Case Western Reserve University, Fermi National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Institutos Nacionais de Padrões e Tecnologia, Princeton University, Santa Clara University, Stanford University, Universidade da Califórnia-Berkeley, Universidade da Califórnia - Santa Barbara, Universidade do Colorado em Denver, Universidade da Flórida e Universidade de Minnesota.
O Fermilab é um laboratório nacional do Office of Science do DOE, operado sob contrato pela Universities Research Association, Inc.
Fonte original: Comunicado de imprensa do Fermilab
