Sem a matéria escura, nossa própria galáxia, a Via Láctea, seria incapaz de manter a coesão de sua estrutura em espiral. Os trabalhos aos quais a Prof.ª Maia Vergniory, do Instituto Quântico, participa, permitem que a ciência se aproxime de uma explicação para esse fenômeno.
Foto: Michel Caron - UdeS
Graças às descobertas realizadas pelo astrônomo Edwin Hubble, em 1929, sabemos que o Universo está em expansão desde o seu nascimento. Mas as medições subsequentes sobre a velocidade dessa expansão revelaram um enigma que fascina a comunidade científica há décadas: de acordo com as leis da física, a massa observável do Universo é claramente insuficiente para permitir as velocidades medidas.
Para explicar o fenômeno, muitos pesquisadores postularam, já na década de 1930, a existência de uma "matéria escura", um material indetectável pelos meios clássicos, que comporia cerca de 85% da massa total do Universo e permitiria manter a coesão de estruturas como as galáxias.
Entre as hipóteses avançadas para descrever a natureza dessa matéria desconhecida estão os áxions, partículas teóricas inicialmente propostas para resolver o problema da simetria carga-paridade (CP) forte no Modelo Padrão da física. Essas partículas, que a pesquisa tenta detectar há mais de 40 anos, teriam sido geradas no momento do Big Bang.
Foi ao tentar observá-las que a equipe internacional da qual faz parte a professora Maia Vergniory, da Faculdade de Ciências da UdeS, realizou um avanço experimental decisivo, que aproxima a ciência de uma prova de sua existência. A professora Vergniory coassina, assim, um avanço importante cujos resultados podem esclarecer nossa compreensão de um dos maiores mistérios de nosso tempo e são objeto de uma publicação na prestigiosa revista Science, nesta sexta-feira, 10 de janeiro de 2025.
"É um avanço extraordinário, pois, além de explicar um mistério importante de nossa história natural, essa descoberta tem o potencial de gerar ganhos tecnológicos substanciais. Os cristais que projetamos para realizar nosso experimento são capazes de guiar os fótons em direção à sua borda em uma única direção, sem desvios - uma propriedade essencial para a transmissão de dados, que também pode reduzir os riscos de erros na computação quântica", explica a Professora Maia Vergniory, da Faculdade de Ciências.
Para realizar seu avanço, a equipe primeiro imaginou e projetou estruturas cristalinas geométricas feitas a partir de um material sintético escolhido por suas propriedades magnéticas e ópticas, o granato de ítrio-ferro.
A equipe observou que, nas bordas tridimensionais dessas estruturas, os fótons se moviam de forma unidirecional - por exemplo, subindo, avançando e para a direita - sem sofrer fenômenos como a difusão para trás. No entanto, esse comportamento dos fótons no cristal também corresponde ao que a teoria prevê para os áxions, sugerindo que os fótons observados são, na verdade, áxions convertidos em fótons.
"Estamos nos aproximando do dia em que poderemos provar sua existência por meio de uma observação direta, o que representaria um avanço importante em nossa compreensão da matéria escura", indica a Professora Maia Vergniory.
A próxima etapa para a equipe consistirá em otimizar suas estruturas cristalinas para usá-las em experimentos visando detectar fótons convertidos a partir de áxions em condições extremas, como campos magnéticos poderosos.
Três candidatas teóricas para explicar a matéria escura
A matéria escura é um material misterioso detectável apenas pelos efeitos gravitacionais que exerce sobre seu entorno. Se ainda não foi observada diretamente, três partículas teóricas são candidatas para explicar sua existência:
- Os áxions: partículas hipotéticas leves geradas no momento do Big Bang.
- Os WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles): partículas massivas que interagem fracamente.
- Os MACHOs (Massive Compact Halo Objects): objetos compactos como estrelas mortas ou buracos negros (hoje considerados insuficientes para explicar a matéria escura).
A pesquisa à qual Maia Vergniory contribuiu mobilizou muitas pessoas em três continentes. Liderada pelo professor Zhang Baile, da Universidade Tecnológica de Nanyang (Singapura), também reuniu pesquisadores do Instituto Max Planck para Física Química de Sólidos (Alemanha), da Escola Politécnica Federal de Zurique (Suíça), do Centro Internacional de Física de Donostia (Espanha), da Universidade do País Basco e da Fundação Basco para a Ciência (Espanha), da Universidade Tecnológica de Dongguan (China), da Universidade de Nanjing (China), da Southern University of Science and Technology (China), da Universidade de Eletrônica, Ciência e Tecnologia da China e da Universidade Westlake (China).