Um novo estudo publicado na Physical Review Letters ( PRL ) propõe o uso de detectores de ondas gravitacionais como o LIGO para procurar matéria escura de campo escalar.

A matéria escura, uma forma elusiva de matéria, compõe até 30% da matéria observável no universo. Ela não absorve, emite ou reflete luz, tornando-a invisível para nós.

Sua presença é inferida devido aos seus efeitos gravitacionais na matéria visível, como o movimento de aglomerados de galáxias e a rotação de galáxias. Devido à sua natureza elusiva, ela atraiu amplo interesse de cientistas. Mas, apesar de extensa pesquisa, sua natureza permanece desconhecida.

O estudo PRL , liderado pelo Dr. Alexandre Sébastien Göttel da Cardiff University, explora a busca por um candidato específico para a matéria escura, chamado matéria escura de campo escalar. O Dr. Göttel falou sobre a pesquisa.

"Recentemente, mudei de área, da física de partículas , com foco em neutrinos solares, para análise de dados de ondas gravitacionais. A oportunidade de procurar por matéria escura com o LIGO pareceu a maneira ideal de aplicar minha expertise em ambas as áreas, ao mesmo tempo em que aprendia mais sobre interferometria", disse o Dr. Göttel.

Os detectores de ondas gravitacionais são dispositivos altamente sensíveis que detectam pequenas distorções (também conhecidas como ondas gravitacionais) no espaço-tempo.

O Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ou LIGO, usa interferômetros a laser para detectar ondas gravitacionais. A configuração consiste em dois braços de 4 quilômetros em ângulos retos. Um feixe de laser é dividido em dois e enviado ao longo de cada braço.

As ondas gravitacionais esticam e comprimem o próprio espaço-tempo, e como são transversais por natureza, elas fariam com que a distância de um dos braços se esticasse, enquanto fariam com que o outro se comprimisse. Isso significa que o tempo levado pela luz seria diferente ao longo de cada braço.

Os dois feixes são então enviados de volta ao centro usando um espelho e os padrões de interferência são medidos. O padrão de interferência alterado é como o LIGO detecta a presença de uma onda gravitacional.

Uma das formas hipotéticas de matéria escura é a matéria escura de campo escalar. Essas são partículas de bóson escalar ultraleves, o que significa que não possuem spin intrínseco ou direcionalidade. Em termos simples, se fossem rotacionadas no espaço, suas propriedades permaneceriam inalteradas.

A matéria escura do campo escalar é teorizada para interagir fracamente com a matéria e a luz. Essa interação fraca , juntamente com sua baixa massa, significa que a matéria escura do campo escalar pode exibir estruturas semelhantes a ondas, espalhando-se e sobrepondo-se para formar padrões de ondas.

Isso permite que eles criem formações estáveis, como nuvens de matéria escura que podem se mover pelo espaço sem se quebrar. Essa propriedade da matéria escura do campo escalar é essencial para usar detectores de ondas gravitacionais, como o LIGO, para procurá-las.

Dr. Göttel explicou: "Algumas teorias sugerem que a matéria escura se comporta mais como uma onda do que como uma partícula. Essas ondas causariam pequenas oscilações na matéria normal, que podem ser detectadas por detectores de ondas gravitacionais ."

A equipe de pesquisa usou dados da terceira série de observações do LIGO e estendeu a busca para frequências mais baixas (10 a 180 Hertz), melhorando a sensibilidade em relação ao trabalho anterior.

Embora estudos anteriores tenham considerado o efeito que a matéria escura do campo escalar teria no divisor de feixe , semelhante às ondas gravitacionais, os pesquisadores também incorporaram o efeito nos espelhos nos braços do interferômetro.

"Em um nível atômico , você pode imaginar o campo de matéria escura flutuando junto com o campo eletromagnético. As oscilações do campo de matéria escura efetivamente modificam as constantes fundamentais, ou seja, a constante de estrutura fina e a massa do elétron, que governam as interações eletromagnéticas", disse o Dr. Göttel.

Como as oscilações da matéria escura afetam cada átomo do universo, considerar seu efeito nas massas de teste, ou espelhos, nos braços do interferômetro foi uma consideração crucial feita pela equipe de pesquisa.

O Dr. Göttel esclareceu ainda: "Toda a matéria seria afetada por essas oscilações, mas as oscilações de outras partes do instrumento não teriam nenhum ou muito pouco efeito no feixe de laser que passa , que é o que podemos detectar."

A equipe de pesquisa desenvolveu um modelo teórico para entender como a matéria escura do campo escalar interagiria com os componentes do LIGO, divisores de feixe e massas de teste.

Depois disso, eles usaram software de simulação para entender como a matéria escura do campo escalar afetaria a saída do LIGO, se estivesse presente. A simulação fornece uma ideia do tipo de sinal ou anomalia que eles deveriam procurar nos dados do LIGO.

Em seguida, a equipe de pesquisa usou os dados do LIGO e aplicou um método chamado análise espectral logarítmica para identificar padrões ou sinais que correspondem aos efeitos previstos da matéria escura do campo escalar.

A equipe não conseguiu encontrar evidências convincentes para matéria escura de campo escalar nos dados do LIGO. No entanto, eles conseguiram estabelecer novos limites superiores para a força da interação entre a matéria escura e os componentes do LIGO.

Essa força de acoplamento é o valor limite acima do qual a presença de matéria escura escalar pode ser detectada. O valor dessa força de acoplamento foi melhorado por um fator de 10.000 em relação ao trabalho anterior, nessa faixa de frequência específica.

"Somos os primeiros a levar em conta efeitos diferenciais adicionais nas massas de teste, que são significativos em baixas frequências. Ao combinar isso com um novo método de análise que maximiza o poder estatístico nos dados, alcançamos resultados muito melhores", concluiu o Dr. Göttel.

O estudo apresenta métodos para prever o impacto de mudanças na óptica do núcleo, mostrando que pequenos ajustes na espessura do espelho podem produzir melhorias significativas. A equipe de pesquisa também estima que detectores futuros serão capazes de superar até mesmo métodos de busca indireta e serão capazes de descartar categorias inteiras de teorias de matéria escura escalar.