No reino da pesquisa da matéria escura, como em uma loja de porcelana, existe um elefante: uma afirmação difícil de acreditar, impossível de confirmar e surpreendentemente difícil de explicar. Mas agora temos quatro instrumentos com o mesmo tipo de detector que a colaboração que possui essa reivindicação controversa. Nos próximos três anos, esses experimentos irão confirmar a existência de matéria escura ou refutar a afirmação de uma vez por todas, dizem os físicos que trabalham com eles.
"Tudo dará certo", disse Frank Kalaprice, da Universidade de Princeton, em Nova Jersey, que está liderando um dos experimentos.
O anúncio inicial foi feito pela colaboração DAMA, cujo detector está localizado em um laboratório nas profundezas da cordilheira Gran Sasso, a leste de Roma. Mais de uma década atrás, ela forneceu evidências surpreendentes de matéria escura, uma substância invisível que se acredita unir galáxias por sua atração gravitacional. O primeiro dos novos detectores começará a operar na Coreia do Sul em apenas algumas semanas. O restante será lançado nos próximos anos na Espanha, Austrália e Gran Sasso. Todos eles usarão cristais de iodeto de sódio para pesquisar matéria escura, o que nenhum experimento em grande escala fez, exceto para DAMA.
Os cientistas estão muito confiantes na existência de matéria escura e que ela é pelo menos cinco vezes maior do que a matéria normal. Mas sua natureza permanece misteriosa. A hipótese principal é que pelo menos parte de sua massa consiste em partículas de interação fraca (WIMPs) que devem ocasionalmente colidir com núcleos atômicos na Terra.
Os cristais de iodeto de sódio devem emitir um flash de luz se isso acontecer no detector. Embora a radioatividade natural também produza tais flares, o DAMA anunciou a descoberta de WIMPs em 1998, citando o fato de que o número de flares produzidos por dia flutuava com as estações.
Isso é o que seria esperado se o sinal fosse gerado por WIMPs que se espalham na Terra conforme o sistema solar se move através do halo de matéria escura da Via Láctea. Nesse caso, o número de partículas que cruzam a Terra deve atingir o pico quando o movimento orbital do planeta se alinhar com o movimento do Sol, no início de junho, e diminuir quando o movimento for contra o Sol, no início de dezembro.
Mas existe um grande problema. “Se fosse realmente matéria escura, muitos outros experimentos teriam percebido até agora”, diz Thomas Schwetz-Mangold, físico teórico do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe na Alemanha - e ninguém viu ainda. Mas, ao mesmo tempo, todas as tentativas de encontrar fraquezas no experimento DAMA, incluindo os efeitos ambientais, que os cientistas não levaram em consideração, não tiveram sucesso. "Há um sinal de modulação", disse Kaijuan Ni, da Universidade da Califórnia, San Diego, que está trabalhando no experimento de matéria escura XENON1T. "Mas como interpretar este sinal - em favor da matéria escura ou outra coisa - não está claro."
Nenhum outro experimento em grande escala usou iodeto de sódio em seu detector, embora o KIMS na Coréia do Sul tenha usado iodeto de césio. Assim, permanece a possibilidade de que a matéria escura interaja com o sódio de maneira diferente do que com outros elementos. "Até que alguém dispare um detector no mesmo elemento que deixou a dica, você não pode ter certeza de nada", diz Juan Collar, da Universidade de Chicago em Illinois, que trabalhou em vários experimentos de matéria escura.
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Muitos enfrentaram a dificuldade de cultivar cristais de iodeto de sódio com a pureza necessária. A contaminação por potássio, que possui um isótopo radioativo de ocorrência natural, também se destaca.
Mas três equipes de cientistas - KIMS, DM-Ice da Universidade de Yale em New Haven e ANAIS da Universidade de Zaragoza na Espanha - conseguiram obter cristais com um nível de radioatividade de fundo à metade do DAMA. É limpo o suficiente para testar seus resultados, dizem os cientistas.
Cientistas do KIMS e DM-Ice construíram um detector de iodeto de sódio em conjunto com o laboratório subterrâneo Yangyang, 160 quilômetros a leste de Seul. A ferramenta usa um sensor de "veto ativo" que distingue melhor a matéria escura do ruído do que o DAMA, diz Yengduk Kim, diretor do Centro de Física Subterrânea da Coréia do Sul em Daejeon, que administra o KIMS.
ANAIS está construindo um detector semelhante no laboratório subterrâneo de Canfranc, nos Pirenéus espanhóis. Juntos, KIMS, DM-Ice e ANAIS transportarão mais de 200 kg de iodeto de sódio e trocarão dados. Em comparação com os 250 quilos que o DAMA tinha, os cientistas esperam capturar um número semelhante de WIMPs. E embora os novos detectores tenham níveis mais altos de ruído de fundo, eles podem simular ou reproduzir o sinal DAMA mais forte, diz Reina Maruyama da Universidade de Yale, que dirige o DM-Ice.
Mas Kalapris argumenta que a alta pureza é mais importante do que a massa. Junto com colegas, ele desenvolveu uma forma de reduzir a poluição e, em janeiro, anunciou o recebimento de cristais mais limpos que os cristais DAMA. Ele espera reduzir ainda mais o nível de fundo, até um décimo do DAMA.
Seu projeto SABRE (Active Background Rejection Sodium Iodide) abrigará um detector em Gran Sasso e outro no Stowell Underground Physics Laboratory, que está sendo construído em uma mina de ouro em Victoria, Austrália. O SABRE usará um detector que separa o sinal de matéria escura do ruído e pesará cerca de 50 quilos.
O SABRE completará sua pesquisa e desenvolvimento em cerca de um ano e começará a construir seus detectores logo em seguida, diz Kalapris. Então, a tecnologia estará disponível para outros laboratórios - algo que o DAMA não fez. E se você tiver dois detectores idênticos nos hemisférios norte e sul, pode entender se os efeitos ambientais podem falsificar a sazonalidade da matéria escura nos resultados do DAMA - se o sinal vier de WIMPs, os dois detectores verão picos ao mesmo tempo.
O DAMA está muito confiante em seus resultados, diz Rita Bernabei, da Universidade de Roma. Ela não está particularmente animada com o próximo lançamento de detectores de iodeto de sódio. “Nossos resultados foram validados muitas vezes ao longo de 14 anos, então não temos razão para ver o que outros farão”, diz ela. Se outros experimentos não virem as modulações anuais, a colaboração simplesmente decidirá que não foram sensíveis o suficiente.
Mas e se os cientistas do DAMA estiverem certos? “No início, não queria acreditar nos resultados do DAMA, nem mesmo os levei a sério”, diz Katherine Freese, uma teórica de astro-partículas da Universidade de Michigan em Ann Arbor que propôs o método de modulação sazonal do DAMA. Mas, como nenhuma outra explicação para o sinal foi encontrada, ela se tranquilizou. "Quanto mais uma pessoa estuda seu experimento, mais ela percebe como é bem feito."
Ilya Khel
