Cientistas utilizaram o campo magnético e a atmosfera da Terra como um detector do tamanho de um planeta para buscar algumas das formas mais leves propostas para a matéria escura. Essa abordagem melhorou drasticamente os limites para os áxions ultraleves e revelou diversos sinais intrigantes de fótons escuros que ainda precisam ser explicados.

A matéria escura é um dos maiores mistérios não resolvidos da física moderna. Os astrônomos têm grande confiança em sua existência e estimam que ela represente cerca de um quarto do conteúdo energético total do universo, mas os cientistas ainda não sabem do que ela é feita.

Duas possibilidades principais são partículas hipotéticas conhecidas como  áxions ultraleves e fótons escuros . Na faixa de massa examinada pelos pesquisadores, essas partículas seriam extraordinariamente leves, aproximadamente 19 a 21 ordens de magnitude mais leves que um elétron.

Transformando a Terra em um gigantesco detector de matéria escura

Muitos experimentos tradicionais com áxions tentam convertê-los em fótons expondo-os a campos magnéticos extremamente fortes dentro de laboratórios. O desafio é a escala. Mesmo ímãs de laboratório potentes só conseguem cobrir uma região relativamente pequena.

Pesquisadores da Universidade de Kyoto, da Universidade de Hiroshima e da Universidade Nihon encontraram uma maneira de contornar essa limitação. Em vez de dependerem apenas de equipamentos de laboratório, eles questionaram se o próprio ambiente magnético da Terra poderia ser usado como parte do experimento.

"Nos perguntamos se poderíamos usar a própria Terra como um detector gigante na busca", diz o autor correspondente Atsushi Taruya. "A cavidade entre a Terra e a ionosfera atua como um ressonador natural que amplifica as ondas eletromagnéticas exatamente na faixa de massa que queríamos investigar."

A região entre a superfície da Terra e a ionosfera pode ressoar naturalmente com ondas eletromagnéticas, de forma semelhante a uma grande cavidade. Isso a tornou especialmente útil para a busca de sinais associados às partículas ultraleves que a equipe queria investigar.

Expandindo a busca para frequências mais altas

Um dos obstáculos era que a teoria anterior só conseguia descrever com precisão frequências abaixo de 1 Hz. Isso deixava grande parte da faixa de frequência potencialmente útil inexplorada.

Para resolver esse problema, os pesquisadores desenvolveram uma nova estrutura teórica que inclui a condutividade elétrica da atmosfera. Seus cálculos mostraram que a cavidade Terra-ionosfera pode amplificar sinais próximos a 8 Hz e permitiram que eles fizessem previsões confiáveis ​​até cerca de 30 Hz.

O modelo também previu uma diferença importante entre os dois candidatos à matéria escura. Os sinais produzidos por áxions devem variar dependendo da localização, sendo os mais fortes esperados no Sudeste Asiático. Os sinais de fótons escuros, por outro lado, devem aparecer com intensidade quase igual em todo o mundo.

Uma década de dados magnéticos posta à prova

Utilizando essa estrutura, a equipe examinou aproximadamente 10 anos de medições geomagnéticas coletadas entre 2012 e 2022 pelo Observatório Eskdalemuir do Serviço Geológico Britânico.

Primeiramente, os pesquisadores removeram fontes artificiais de ruído dos dados. Em seguida, buscaram o tipo de sinal estável concentrado em uma faixa de frequência muito estreita, que se espera que a matéria escura produza ao longo de longos períodos de tempo. Os resultados foram então submetidos a análises estatísticas.

A mesma abordagem teórica também foi aplicada aos fótons escuros. Ao contrário dos áxions, os fótons escuros podem produzir ondas eletromagnéticas mesmo na ausência de um campo magnético, então os pesquisadores buscaram no conjunto de dados a assinatura diferente que essas partículas deveriam criar.

Limites mais rigorosos e candidatos a sinais misteriosos

Ao utilizar efetivamente toda a Terra como um detector para uma determinada gama de massas de áxions, os pesquisadores estabeleceram novos limites para a intensidade com que os áxions podem interagir com a luz.

Esses limites foram cerca de 100 vezes mais rigorosos do que o melhor resultado anterior obtido por um experimento terrestre. Eles também foram competitivos com as restrições inferidas a partir de observações astrofísicas de raios X feitas por observatórios como Chandra e NuSTAR, embora esses limites astrofísicos dependam de certas premissas teóricas.

A busca por fótons escuros produziu um resultado particularmente intrigante. Os pesquisadores identificaram vários sinais candidatos que poderiam potencialmente ter origem na matéria escura. No entanto, a fonte desses sinais permanece desconhecida e eles não foram confirmados como evidência de matéria escura.

A verdadeira identidade da matéria escura permanece, portanto, sem solução. Ainda assim, a nova estrutura teórica pode fornecer aos pesquisadores uma maneira poderosa de expandir as buscas futuras e usar o ambiente eletromagnético natural da Terra como uma ferramenta para investigar algumas das formas mais leves possíveis de matéria escura.

POSTAGENS RECENTES

Carregando postagens recentes...