O relógio nuclear que pode finalmente desmascarar a matéria escura

Físicos estão explorando as propriedades únicas do tório-229 para criar um relógio nuclear tão preciso que seria capaz de detectar os mais tênues indícios de matéria escura.

Por Instituto de Ciências Weizmann com informações de Science Daily.

Há quase um século, cientistas em todo o mundo buscam a matéria escura – uma substância invisível que se acredita constituir cerca de 80% da massa do universo e necessária para explicar uma variedade de fenômenos físicos. Inúmeros métodos têm sido utilizados na tentativa de detectar a matéria escura, desde a tentativa de produzi-la em aceleradores de partículas até a busca pela radiação cósmica que ela possa emitir no espaço. No entanto, mesmo hoje, muito pouco se sabe sobre as propriedades fundamentais dessa matéria. Embora opere em segundo plano, acredita-se que a matéria escura influencie a matéria visível, mas de maneiras tão sutis que atualmente não podem ser medidas diretamente.

Cientistas acreditam que, se um relógio nuclear for desenvolvido – um que use o núcleo atômico para medir o tempo com extrema precisão – até mesmo as menores irregularidades em seu tique-taque poderiam revelar a influência da matéria escura. No ano passado, físicos na Alemanha e no Colorado fizeram um grande avanço na construção de um relógio desse tipo, usando o elemento radioativo tório-229. Quando pesquisadores do grupo de física teórica do Prof. Gilad Perez no Instituto de Ciências Weizmann souberam dessa conquista, reconheceram uma nova oportunidade de avançar na busca pela matéria escura, mesmo antes de um relógio nuclear totalmente funcional se tornar realidade. Em colaboração com a equipe alemã, eles publicaram recentemente um estudo na Physical Review X propondo um novo método para detectar a influência da matéria escura nas propriedades do núcleo de tório-229.

Assim como empurrar uma criança em um balanço exige o timing certo para manter um movimento suave e consistente, um núcleo atômico também possui uma frequência de oscilação ideal, conhecida em física como frequência de ressonância. A radiação precisamente nessa frequência pode fazer o núcleo “oscilar” como um pêndulo entre dois estados quânticos: um estado fundamental e um estado de alta energia. Na maioria dos materiais, essa frequência de ressonância é alta, exigindo forte radiação para excitar o núcleo. Mas, em 1976, cientistas descobriram que o tório-229, um subproduto do programa nuclear dos EUA, era uma rara exceção. Sua frequência de ressonância natural é baixa o suficiente para ser manipulada pela tecnologia laser padrão, utilizando a radiação ultravioleta relativamente fraca. Isso tornou o tório-229 um candidato promissor para o desenvolvimento de um relógio nuclear, no qual o tempo é medido pelo núcleo “oscilando” entre estados quânticos como um pêndulo em um relógio tradicional.

“Um relógio nuclear seria o detector definitivo — capaz de detectar forças 10 trilhões de vezes mais fracas que a gravidade, com 100.000 vezes a resolução das buscas atuais por matéria escura.”

No entanto, o progresso no relógio nuclear estagnou logo na primeira etapa, quando os cientistas tentaram medir a frequência de ressonância do tório-229 com a máxima precisão. Para determinar a frequência de ressonância de um núcleo, os físicos o iluminam com um laser em frequências variadas e observam quanta energia ele absorve ou emite durante a transição entre estados quânticos. A partir desses resultados, constroem um espectro de absorção, e a frequência que causa o pico de absorção é considerada a frequência de ressonância do núcleo.

Por quase cinco décadas, os cientistas não conseguiram medir a frequência de ressonância do tório-229 com precisão suficiente para construir um relógio nuclear, mas o ano passado trouxe dois grandes avanços. Primeiro, um grupo do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha (PTB) publicou medições relativamente precisas. Alguns meses depois, uma equipe da Universidade do Colorado divulgou resultados vários milhões de vezes mais precisos.

“Ainda precisamos de uma precisão ainda maior para desenvolver um relógio nuclear”, diz Perez, “mas já identificamos uma oportunidade para estudar a matéria escura”. Ele explica: “Em um universo composto apenas de matéria visível, as condições físicas e o espectro de absorção de qualquer material permaneceriam constantes. Mas, como a matéria escura nos cerca, sua natureza ondulatória pode alterar sutilmente a massa dos núcleos atômicos e causar deslocamentos temporários em seu espectro de absorção. Nossa hipótese é que a capacidade de detectar desvios mínimos no espectro de absorção do tório-229 com grande precisão poderia revelar a influência da matéria escura e nos ajudar a estudar suas propriedades.”

Cálculos teóricos feitos pela equipe – liderada pelo Dr. Wolfram Ratzinger, do grupo de Perez, e outros bolsistas de pós-doutorado – mostraram que as novas medições poderiam detectar a influência da matéria escura mesmo que ela fosse 100 milhões de vezes mais fraca que a gravidade, uma força que, por si só, é fraca e raramente nos vem à mente no dia a dia. “Esta é uma região onde ninguém ainda procurou por matéria escura”, diz Ratzinger. Nossos cálculos mostram que não basta procurar apenas mudanças na frequência de ressonância. Precisamos identificar mudanças em todo o espectro de absorção para detectar o efeito da matéria escura. Embora ainda não tenhamos encontrado essas mudanças, estabelecemos as bases para entendê-las quando elas aparecem. Assim que detectarmos um desvio, poderemos usar sua intensidade e a frequência com que ele aparece para calcular a massa da partícula de matéria escura responsável. Posteriormente no estudo, também calculamos como diferentes modelos de matéria escura afetariam o espectro de absorção do tório-229. Esperamos que isso ajude a determinar quais modelos são precisos e do que a matéria escura realmente é composta

Enquanto isso, laboratórios ao redor do mundo continuam a refinar a medição da frequência de ressonância do tório-229, um processo que deve levar anos. Se um relógio nuclear for eventualmente desenvolvido, ele poderá revolucionar muitos campos, incluindo navegação terrestre e espacial, comunicações, gerenciamento de redes elétricas e pesquisa científica. Os dispositivos de cronometragem mais precisos da atualidade são os relógios atômicos, que dependem da oscilação de elétrons entre dois estados quânticos. Eles são altamente precisos, mas apresentam uma desvantagem significativa: são vulneráveis à interferência elétrica do ambiente, o que pode afetar sua consistência. Os núcleos dos átomos, por outro lado, são muito menos sensíveis a tais perturbações.

Números da Ciência

De acordo com um dos principais modelos de matéria escura, a substância misteriosa é composta de inúmeras partículas, cada uma das quais tem uma massa pelo menos 1.000.000 de vezes menor que a de um único elétron.

“Quando se trata de matéria escura”, diz Perez, “um relógio nuclear baseado em tório-229 seria o detector definitivo. Atualmente, a interferência elétrica limita nossa capacidade de usar relógios atômicos na busca. Mas um relógio nuclear nos permitiria detectar desvios incrivelmente leves em seu tique-taque – ou seja, pequenas mudanças na frequência de ressonância – que poderiam revelar a influência da matéria escura. Estimamos que ele nos permitirá detectar forças 10 trilhões de vezes mais fracas que a gravidade, fornecendo uma resolução 100.000 vezes melhor do que a que temos atualmente em nossa busca pela matéria escura.”

O Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) concedeu recentemente uma Bolsa Avançada do ERC ao grupo do Prof. Perez para apoiar o desenvolvimento contínuo desta linha de pesquisa. Participaram também do estudo a Profa. Elina Fuchs e a Dra. Fiona Kirk, do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha (PTB), Braunschweig, Alemanha, e a Universidade Leibniz de Hannover, Alemanha; o Dr. Eric Madge e Chaitanya Paranjape, do grupo de Perez no Departamento de Física de Partículas e Astrofísica de Weizmann; e o Prof. Ekkehard Peik e o Dr. Johannes Tiedau, do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha (PTB), Braunschweig, Alemanha.

Fonte da história:
Materiais fornecidos pelo Instituto de Ciências Weizmann . Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e à extensão.

Referência do periódico :
Elina Fuchs, Fiona Kirk, Eric Madge, Chaitanya Paranjape, Ekkehard Peik, Gilad Perez, Wolfram Ratzinger, Johannes Tiedau. Buscando Matéria Escura com a Linha Nuclear Th229 a Partir de Espectroscopia a Laser . Physical Review X , 2025; 15 (2) DOI: 10.1103/PhysRevX.15.021055

---

---