Tecnologia Científica

Detector de matéria escura capta novo sinal inexplicável
Os dados do XENON1T podem ser evidências de nova física de partículas 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 físicos da Universidade de Chicago, da Universidade da Califórnia, 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 seminário em 17 de junho .

“Um excesso de sinal é sempre algo emocionante! Às vezes, você descobre que o excesso se deve apenas a um histórico 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 é um excesso sólido e significativo acima das nossas expectativas; no entanto, o XENON1T não é sensível o suficiente para discriminar entre as várias origens potenciais. ”

O projeto XENON é uma colaboração de mais de 160 cientistas de todo o mundo que procuram descobrir os mistérios da matéria escura. O grupo está trabalhando duro para construir a próxima geração do detector, chamado XENONnT. Quando o detector mais sensível começa a coletar dados - potencialmente até o final deste ano - os cientistas esperam descobrir qual de suas hipóteses é responsável pelo excesso de sinal em baixas energias.

XENON busca nova física

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

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

Para tentar vislumbrar esse material indescritível, os cientistas da colaboração XENON construíram o detector de matéria escura mais sensível do mundo, o XENON1T. Este enorme detector, preenchido com mais de três toneladas de xenônio líquido, é protegido da radiação por um tanque de água ultra pura com três andares de altura e alojado em um laboratório subterrâneo sob uma montanha no Laboratório Nacional Gran Sasso, na Itália.

Nesse ambiente único, um instrumento chamado câmara de projeção do tempo monitora sinais de luz e carga elétrica que são acionados sempre que uma partícula subatômica interage com o pool de xenônio. Se uma partícula de matéria escura colidir com um átomo de xenônio, ela deve aparecer teoricamente nos dados. Embora a câmara, projetada e mantida com a ajuda de cientistas da UChicago, seja extremamente sensível, esses eventos de interação são incrivelmente raros - leva quase um ano para coletar dados suficientes para um estudo completo.

A câmara cheia de xenônio do XENON1T é fabricada com materiais de pureza incrivelmente alta, mas ainda há um nível inevitável de radiação de fundo dos materiais que compõem o próprio detector.

"Fazemos uma tonelada de análises para prever quais antecedentes estão presentes 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 previsões com os dados e ver se eles concordam."

Porém, após uma análise cuidadosa dos dados, Shockley e seus colegas concluíram 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 inexplicáveis ​​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 você pressiona o limite da sensibilidade do seu detector na busca por essas partículas indescritíveis, às vezes se depara com fundos inesperados que você não contava anteriormente", disse Grandi. “O XENONnT, o detector maior que estamos preparando para operação, deve lançar alguma luz sobre isso e nos ajudar a discriminar as várias explicações.”

Os possíveis candidatos

O detector XENON1T foi projetado principalmente para procurar sinais que possam indicar a existência de um dos principais candidatos para a aparência da matéria escura - partículas grandes e pesadas, conhecidas como partículas 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 câmara de
projeção de tempo do XENONnT.
Imagem cortesia de XENON Collaboration

Mas esse detector ultra-sensível também pode captar outros sinais que podem nos ensinar sobre o universo. Duas possibilidades para o sinal que eles viram seria uma partícula hipotética do sol chamada axião solar; ou partículas chamadas neutrinos também provenientes do sol, mas com características magnéticas inesperadas. Se essa medida corresponder a uma dessas partículas exóticas, seria uma descoberta revolucionária e responderia a algumas das questões mais importantes sobre a física do nosso universo.

“Nossos dados suportam a hipótese 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 astrofísicas ”, afirmou Grandi.

Mas outra possibilidade é que o sinal esteja realmente relacionado a um contaminante inesperado no detector. Shockley explicou que o excesso de sinal se parece com o padrão de energia criado pelo decaimento radioativo do trítio. "O trítio é um átomo de hidrogênio com dois nêutrons", disse ele. “Não é muito comum. Mas como nosso detector é muito sensível, a presença de alguns átomos de trítio no detector pode resultar em um excesso como o que observamos. ” (Ele e seus colegas pesquisadores não haviam procurado contaminação por trítio anteriormente, porque o trítio é tão raro que se pensava que era improvável que existisse em seus materiais ultrapuros.)

Está muito perto de saber qual deles está com 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 compõe a grande maioria da matéria no universo, mas os cientistas ainda não sabem a natureza desse material exótico".

 
Atualização XENONnT para maior sensibilidade

No momento, o XENON1T já é o detector de matéria escura mais sensível do 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 contribuirão para um aumento de sua sensibilidade em um fator de 10. O detector XENONnT atualizado concluirá as medições mais rapidamente e com melhor qualidade de sinal .

“Para aumentar a sensibilidade, aumentamos o tamanho do detector para permitir três vezes mais xenônio. Também 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, pós-doc da UChicago e coordenador de análises do XENON1T e XENONnT.

Pienaar e Grandi passaram o início de 2020 em Gran Sasso, liderando a construção da câmara de projeção de tempo do XENONnT. Com a ameaça de COVID-19 crescendo na Itália, eles conseguiram concluir a construção do novo detector apenas alguns dias após o bloqueio da quarentena. O detector está agora em uma condição estável e limpa e os preparativos finais ocorrerão ainda este ano.