Enviar um relógio atômico a bordo de uma espaçonave para voar perto do sol pode ser o truque para descobrir a natureza da matéria escura, sugere um novo estudo publicado na Nature Astronomy.
A matéria escura representa mais de 80% da massa do universo, o que sabemos porque podemos ver seus efeitos nas galáxias e estrelas – mas até agora ninguém foi capaz de detectá-la diretamente, apesar de décadas de esforços experimentais.
Um grupo de cientistas propôs uma nova maneira de procurar essa misteriosa matéria escura, usando a tecnologia conhecida como relógios atômicos.
Relógios atômicos, que marcam o tempo medindo as rápidas oscilações dos átomos, já estão funcionando no espaço, possibilitando o Sistema de Posicionamento Global (GPS). Esses relógios são tão precisos que não perderão nem um segundo em bilhões de anos. Isso chamou a atenção dos pesquisadores, que pensaram que poderiam usar essa precisão única para detectar a matéria escura.
“Esta é uma bela sinergia entre os teóricos de partículas e um especialista quântico, e estivemos em contato com pesquisadores de sondas solares da NASA para realizar esta proposta”, disse o principal autor Yu-Dai Tsai. “Existem muitas novas direções emocionantes na interseção de todos esses campos.”
O estudo, publicado em 5 de dezembro de 2022, foi liderado por Tsai, que iniciou o projeto na Universidade de Chicago e no Fermilab e agora é pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Califórnia, em Irvine, junto com os colaboradores Marianna Safronova, física da Universidade de Delaware, e Joshua Eby. da Universidade de Tóquio e do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo .
“A matéria escura é um dos mistérios remanescentes mais importantes na astronomia e na cosmologia, dada a sua natureza desconhecida e indescritível”, explicou Tsai. “Se pudéssemos encontrar a matéria escura e entender suas propriedades, poderíamos entender a evolução do nosso universo.”
Mas como os cientistas nem sabem exatamente o que é a matéria escura e como ela se comporta, tem sido difícil até mesmo projetar maneiras de encontrá-la.
Consequentemente, os cientistas criaram muitas teorias sobre como seria a matéria escura. Uma dessas teorias é conhecida como matéria escura “ultraleve”. Se essa matéria escura ultraleve existir da maneira que a teoria prevê, ela deve causar oscilações nas próprias constantes da natureza – como na massa de elétrons ou na força da força eletromagnética.
Isso chamou a atenção dos cientistas. Eles sabiam que os relógios atômicos usam essas constantes da natureza para operar – portanto, qualquer mudança nessas constantes da natureza deveria aparecer no funcionamento do relógio atômico.
Especificamente, os relógios atômicos – às vezes conhecidos como relógios quânticos – operam medindo cuidadosamente a frequência dos fótons emitidos nas transições de diferentes estados nos átomos. A matéria escura ultraleve nas proximidades do experimento do relógio pode modificar essas frequências, pois as oscilações da matéria escura aumentam ligeiramente e diminuem a energia do fóton. Isso mudaria o tique-taque do relógio.
Para ter a melhor chance de funcionar, disseram os cientistas, os relógios devem ser posicionados perto do sol, onde a teoria prevê que a matéria escura deve se agrupar em um halo.
A tecnologia para testar sua teoria já existe, disseram os cientistas. A sonda da NASA Parker Solar Probe, operando desde 2018, é a espaçonave artificial mais próxima do sol na história da humanidade.
“A Parker Solar Probe não está voltando para a Terra, mas as sondas solares da próxima geração podem carregar um relógio quântico preciso a bordo”, disse Tsai. “Tal missão espacial teria a capacidade de realizar nosso estudo proposto.”
A Parker Solar Probe recebeu o nome do falecido grande físico da Universidade de Chicago, Prof. Eugene Parker, que fez contribuições significativas para a física solar. “Eu era um associado da Universidade de Chicago quando iniciamos o projeto, e a busca de Parker nos inspirou neste projeto”, disse Tsai.
“Existem muitos outros tópicos interessantes para explorar”, continuou Tsai. “Além deste trabalho, as missões espaciais também podem fornecer dados para defesa planetária. Em nossos trabalhos relacionados, também utilizamos esses dados para estudar questões como a densidade local de matéria escura e a possibilidade de uma quinta força da natureza além do Modelo Padrão de Física. Sensores quânticos, incluindo relógios atômicos, podem melhorar a precisão dessas medições e nos fornecer testes mais sólidos para a física fundamental.”
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