Tecnologia Científica

Detector de matéria escura capta novo sinal inexplica¡vel
Os dados do XENON1T podem ser evidaªncias de nova física departículas ou contaminantes inesperados
Por Maggie Hudson - 21/06/2020


O detector XENON1T, escondido na encosta de uma montanha italiana em busca de
sinais de uma substância misteriosa chamada matéria escura, captou um sinal
inesperado que pode ser evidência de nova física - ou contaminante radioativo.

O detector XENON1T, escondido em uma montanha italiana em busca de sinais de uma substância misteriosa no universo chamada matéria escura, captou uma nova onda de dados que não pode ser explicada pelos modelos atuais.

Uma análise desse excesso de sinal, liderada por fa­sicos da Universidade de Chicago, da Universidade da Califa³rnia, em San Diego e da Universidade de Zurique e avaliada por toda a colaboração do XENON , sugere que pode haver evidência de nova física - ou uma inesperada contaminante radioativo. Os resultados foram anunciados em um semina¡rio em 17 de junho .

“Um excesso de sinal ésempre algo emocionante! a€s vezes, vocêdescobre que o excesso se deve apenas a um hista³rico desconhecido, ou pode ser um sinal de uma nova descoberta fundamental sobre o nosso universo ”, disse Assoc. Luca Grandi, coautora do estudo. “O que vemos éum excesso sãolido e significativo acima das nossas expectativas; no entanto, o XENON1T não ésensa­vel o suficiente para discriminar entre as várias origens potenciais. ”

O projeto XENON éuma colaboração de mais de 160 cientistas de todo o mundo que procuram descobrir os mistanãrios da matéria escura. O grupo estãotrabalhando duro para construir a próxima geração do detector, chamado XENONnT. Quando o detector maissensívelcomea§a a coletar dados - potencialmente atéo final deste ano - os cientistas esperam descobrir qual de suas hipa³teses éresponsável pelo excesso de sinal em baixas energias.

XENON busca nova física

A matéria escura compaµe a grande maioria da matéria no universo, mas os cientistas ainda não sabem a natureza desse material exa³tico. Nãobloqueia ou exala luz e raramente interage com a matéria comum que compaµe tudo o que podemos ver no universo.

Detector de matéria escura - Os fa­sicos Luca Grandi (a  esquerda) e Jacques Pienaar
auxiliam na construção do XENONnT, uma atualização inovadora para o detector
de matéria escura maissensíveldo mundo. Colaboração XENON

Para tentar vislumbrar esse material indescrita­vel, os cientistas da colaboração XENON construa­ram o detector de matéria escura maissensíveldo mundo, o XENON1T. Este enorme detector, preenchido com mais de três toneladas de xena´nio la­quido, éprotegido da radiação por um tanque de águaultra pura com três andares de altura e alojado em um laboratório subterra¢neo sob uma montanha no Laborata³rio Nacional Gran Sasso, na Ita¡lia.

Nesse ambiente aºnico, um instrumento chamado ca¢mara de projeção do tempo monitora sinais de luz e carga elanãtrica que são acionados sempre que uma parta­cula subatômica interage com o pool de xena´nio. Se uma parta­cula de matéria escura colidir com um a¡tomo de xena´nio, ela deve aparecer teoricamente nos dados. Embora a ca¢mara, projetada e mantida com a ajuda de cientistas da UChicago, seja extremamente sensa­vel, esses eventos de interação são incrivelmente raros - leva quase um ano para coletar dados suficientes para um estudo completo.

A ca¢mara cheia de xena´nio do XENON1T éfabricada com materiais de pureza incrivelmente alta, mas ainda háumnívelinevita¡vel de radiação de fundo dos materiais que compõem o pra³prio detector.

"Fazemos uma tonelada de análises para prever quais antecedentes estãopresentes no detector, juntamente com suas taxas e energias esperadas", disse Evan Shockley, estudante de graduação da UChicago, um dos três autores correspondentes do estudo. "Então podemos comparar essas previsaµes com os dados e ver se eles concordam."

Poranãm, após uma análise cuidadosa dos dados, Shockley e seus colegas conclua­ram que o sinal estava acima do fundo esperado com baixas energias e não poderia ser explicado por nenhum modelo existente ou fonte conhecida de contaminação.

Houve 53 eventos inexplica¡veis ​​ao longo do ano - o suficiente para ser significativo, mas não o suficiente para distinguir entre um contaminante de fundo ou um avanço da física.

"Quando vocêpressiona o limite da sensibilidade do seu detector na busca por essaspartículas indescrita­veis, a s vezes se depara com fundos inesperados que vocênão contava anteriormente", disse Grandi. “O XENONnT, o detector maior que estamos preparando para operação, deve lana§ar alguma luz sobre isso e nos ajudar a discriminar as várias explicações.”

Os possa­veis candidatos

O detector XENON1T foi projetado principalmente para procurar sinais que possam indicar a existaªncia de um dos principais candidatos para a aparaªncia da matéria escura -partículas grandes e pesadas, conhecidas comopartículas massivas de interação fraca (WIMPs).

Cientista usando equipamento de proteção ajusta o
detector de matéria escura Grandi trabalha em condições
ultra limpas para concluir a construção da ca¢mara de
projeção de tempo do XENONnT.
Imagem cortesia de XENON Collaboration

Mas esse detector ultra-sensa­vel também pode captar outros sinais que podem nos ensinar sobre o universo. Duas possibilidades para o sinal que eles viram seria uma parta­cula hipotanãtica do sol chamada axia£o solar; oupartículas chamadas neutrinos também provenientes do sol, mas com caracteri­sticas magnanãticas inesperadas. Se essa medida corresponder a uma dessaspartículas exa³ticas, seria uma descoberta revoluciona¡ria e responderia a algumas das questões mais importantes sobre a física do nosso universo.

“Nossos dados suportam a hipa³tese do eixo solar com mais força. No entanto, se de fato observamos as interações dos axios solares, as propriedades dos axions que observamos contrariam os resultados de observações astrofa­sicas ”, afirmou Grandi.

Mas outra possibilidade éque o sinal esteja realmente relacionado a um contaminante inesperado no detector. Shockley explicou que o excesso de sinal se parece com o padrãode energia criado pelo decaimento radioativo do tra­tio. "O tra­tio éum a¡tomo de hidrogaªnio com dois naªutrons", disse ele. “Nãoémuito comum. Mas como nosso detector émuito sensa­vel, a presença de alguns a¡tomos de tra­tio no detector pode resultar em um excesso como o que observamos. ” (Ele e seus colegas pesquisadores não haviam procurado contaminação por tra­tio anteriormente, porque o tra­tio étão raro que se pensava que era improva¡vel que existisse em seus materiais ultrapuros.)

Esta¡ muito perto de saber qual deles estãocom os dados atuais, mas Grandi e seu grupo podem obter respostas definitivas quando o mais novo detector de matéria escura da colaboração XENON, o XENONnT, entrar em operação ainda este ano.

"A matéria escura compaµe a grande maioria da matéria no universo, mas os cientistas ainda não sabem a natureza desse material exa³tico".

 
Atualização XENONnT para maior sensibilidade

No momento, o XENON1T já éo detector de matéria escura maissensíveldo mundo. Para aumentar ainda mais suas capacidades, o grupo de Grandi e o gerente de engenheiros de pesquisa da UChicago, Ben Stillwell, projetaram melhorias no detector que contribuira£o para um aumento de sua sensibilidade em um fator de 10. O detector XENONnT atualizado concluira¡ as medições mais rapidamente e com melhor qualidade de sinal .

“Para aumentar a sensibilidade, aumentamos o tamanho do detector para permitir três vezes mais xena´nio. Tambanãm fizemos muito trabalho para selecionar cuidadosamente os materiais que usamos e refinamos ainda mais o design do detector para reduzir o fundo ”, explicou Jacques Pienaar, pa³s-doc da UChicago e coordenador de análises do XENON1T e XENONnT.

Pienaar e Grandi passaram o ini­cio de 2020 em Gran Sasso, liderando a construção da ca¢mara de projeção de tempo do XENONnT. Com a ameaça de COVID-19 crescendo na Ita¡lia, eles conseguiram concluir a construção do novo detector apenas alguns dias após o bloqueio da quarentena. O detector estãoagora em uma condição esta¡vel e limpa e os preparativos finais ocorrera£o ainda este ano.

 

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