Materia întunecată reprezintă unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii moderne. Aceasta ar putea fi alcătuită din particule nedescoperite până în prezent, „vânate” de mai multe experimente. Au fost însă recent propuse noi strategii care să folosească materiale supraconductoare sau superfluide care ar putea descoperi particule de materie întunecată cu masa mică, invizibile în prezent.


În urma studiilor efectuate s-a ajuns la concluzia că Universul este alcătuit în mare parte din materie şi energie întunecate. Materia normală, cea pe care o cunoaştem şi o vedem, reprezintă o foarte mică parte (cam 5%) din totalul de materie-energie din Univers.

Materia întunecată este de circa 5-6 ori mai multă decât materia normală, iar energia întunecată alcătuieşte cam 70% din totalul de energie din Univers. Cu adevărat impresionant!

Din ce anume ar putea să fie alcătuită această materie întunecată? Oamenii de ştiinţă cred că acesta ar fi din particule care nu au fost încă descoperite până în prezent, întrucât acestea ar interacţiona cu restul materiei prin interacţiunea gravitaţională (imposibil de măsurat în laborator)  şi, poate, prin interacţiuni slabe.

Care este strategia pentru a descoperi aceste noi particule? Pe de o parte în cadrul unor proiecte de cercetare desfăşurate în laboratoare subterane se încearcă să se descopere particule de materie întunecată în urma interacţiunii acestora cu materia normală – interacţiuni care se transformă în semnale în detectoarele de materie întunecată. Pe de altă parte la acceleratoarele de particule precum LHC de la CERN-Geneva se încearcă să se producă particule de materie întunecată în urma coliziunii protonilor cu energie extremă.

Totuşi, deocamdată nu au fost descoperite noi particule.

Trebuie menţionat că aceste proiecte de cercetare sunt capabile să descopere particule de materie întunecată numite WIMP (weakly interacting massive particles) – adică particule care au o masă mai mare decât o valoare limită. Ce s-ar întâmpla însă dacă particulele de materie întunecată ar avea masă mult mai mică? Adică o materie întunecată alcătuită din particule uşoare. Acestea nu pot fi văzute cu detectoarele actuale, întrucât semnalele lăsate în acestea sunt prea mici să fie vizibile.

Din acest motiv este nevoie de găsirea unor noi metode şi strategii care să ne ajute să căutăm şi particulele uşoare.

O propunere recentă avansată de grupul condus de Kathryn Zurek de la Lawrence Berkley Naţional Laboratory ar putea duce la construirea unor noi sisteme de detecţie sensibile la particule de materie întunecată cu masa de milioane de ori mai mică decât limita actuală.

Grupul lui Zurek a publicat recent două articole în Phys. Rev. Lett. (Phys. Rev. Lett. 117, 121302 şi Phys. Rev. Lett. 116, 011301) cu două propuneri interesante.

În aceste articol s-a arătat cum folosirea heliului superfluid sau a metalelor supraconductoare poate fi extrem de utilă în detectarea particulelor materiei întunecate.

Ce anume s-ar putea întâmpla de exemplu în heliul superfluid?

Într-un detector alcătuit din heliu superfluid, ţinând cont că acesta are de exemplu bizară proprietate să iasă dintr-un vas „urcându-se pe pereţi”, deci are o vâscozitate foarte mică, particulele de materie întunecată ar reuşi să străbată distanţe foarte mari pierzând mică parte din energia lor, având mult mai multe interacţiuni decât într-un detector actual.

La fel într-un supraconductor; particula de materie întunecată interacţionează cu perechi de electroni, generând într-un final aşa-numiţii fononi. Fononii sunt un fel de „particule” de căldură – adică ceea ce oamenii de ştiinţă utilizează de exemplu pentru a explica modalitatea în care căldura se propagă în solide.

S-ar putea deci în viitor să avem super şi supra-detectoare care folosesc proprietăţi cuantice ale materiei pentru a detecta într-un final materia întunecată. Acestea sunt deosebit de utile dacă materia întunecată este compusă din particule cu masa mică, întrucât actualele aparate nu ar reuşi să le măsoare oricât de multe eforturi ar face.

Descoperirea materiei întunecate ne-ar ajuta să înţelegem mai bine structura Universului. Bineînţeles, va trebui să înţelegem şi energia întunecată – ceea ce apare să fie mult mai dificil decât materia întunecată.

---
Credit imagine: DarkMater de quantomstarbox