Pesquisa pioneira sugere que a natureza da matéria escura é mais evasiva do que nunca

Novos resultados do detector de matéria escura mais sensível do mundo restringem suas características, aproximando-se de desvendar um dos maiores mistérios do universo.

O Experimento de Matéria Escura LUX-ZEPLIN (LZ), sediado no Sanford Underground Research Facility, em Dakota do Sul, EUA, analisou dados abrangentes que fornecem insights sem precedentes sobre um dos principais candidatos à matéria escura, conhecido como partículas massivas de interação fraca, também chamadas de WIMPs.

As descobertas, apresentadas na segunda-feira na Conferência TeV Particle Astrophysics 2024 em Chicago, Illinois, e na Conferência LIDINE 2024 em São Paulo, Brasil, são quase cinco vezes mais sensíveis do que investigações anteriores e indicam que WIMPs raramente interagem com matéria comum, confirmando o quão difícil é rastrear a matéria escura.

O projeto LZ é liderado pelo Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) do Departamento de Energia dos EUA (DOE). Físicos da Universidade de Bristol fazem parte do esforço internacional, envolvendo mais de 250 pesquisadores dos EUA, Reino Unido, Austrália, Portugal, Coreia do Sul e Suíça. É o maior e mais sensível experimento do mundo em busca de partículas de matéria escura, em particular WIMPs.

O colaborador Henning Flaecher, professor de física e pesquisador principal do grupo de Bristol, disse: “Os resultados apresentam uma melhoria significativa em relação às pesquisas anteriores sobre a matéria escura WIMP. Sondamos uma grande variedade de massas que a matéria escura poderia ter e sua força de interação com a matéria normal, mas até agora ela continua indefinida. A busca pela matéria escura é definitivamente uma maratona e não uma corrida de velocidade, e com o LZ ainda coletando cerca de três vezes mais dados do que foi usado para esses últimos resultados, tudo ainda está em jogo.”

LZ não encontrou evidências de WIMPs acima de uma massa de 9 GeV/c²onde 1 GeV/c² corresponde aproximadamente à massa de um átomo de hidrogênio.

O experimento agora precisa ser executado por até 1.000 dias para atingir sua sensibilidade total. Este resultado inicial é apenas uma fração dessa exposição, o que valida o esforço de design e construção de uma década.

O LZ, apoiado no Reino Unido pelo Science and Technology Facilities Council do UKRI, é intrincada e inovadoramente projetado para encontrar evidências diretas de matéria escura — uma misteriosa substância invisível que se acredita constituir a maior parte da massa do universo. A matéria escura é particularmente desafiadora de detectar, pois não emite ou absorve luz ou qualquer outra forma de radiação.

O detector LZ tenta capturar as interações muito raras e muito tênues entre a matéria escura e seu alvo de xenônio líquido de 7 toneladas. Para fazer isso, o LZ deve ser calibrado com cuidado e delicadeza e qualquer ruído de fundo removido para que o experimento possa ser perfeitamente ajustado para observar essas interações.

Essas partículas elementares teorizadas interagem com a gravidade, o que confirma a existência da matéria escura em primeiro lugar, e possivelmente por meio de uma nova interação fraca também.

Isso significa que se espera que WIMPs colidam com matéria comum — embora muito raramente e muito fracamente. É por isso que detectores de partículas muito silenciosos e muito sensíveis são necessários para a detecção de WIMP.

No centro do experimento está um grande detector de partículas de xenônio líquido mantido em torno de -110oC, cercado por fotossensores. Se um WIMP interage com um átomo de xenônio, uma pequena quantidade de luz deve ser emitida e os sensores a capturarão. Mas para ver essas interações raras, a equipe teve que remover cuidadosamente o máximo possível de radiação de fundo dos materiais do detector primeiro.

Mas isso não é o suficiente e explica por que o LZ está operando a cerca de uma milha abaixo da terra. Isso o protege dos raios cósmicos, que bombardeiam experimentos na superfície da Terra. O detector e seu criostato ficam dentro de um enorme tanque de água para proteger o experimento de partículas e radiação vindas das paredes do laboratório.

Pesquisadores da Universidade de Bristol desempenham papéis importantes no experimento, com Christopher Wright e Nathan Pannifer trabalhando 1500m no subsolo em Dakota do Sul como parte de seu Ph.D., contribuindo para a execução e manutenção do Detector Externo (OD). Este componente do LZ é usado para suprimir sinais provenientes de nêutrons e raios gama, fundos que podem imitar interações de matéria escura. Com base em dados coletados com o OD, Sam Eriksen, um Associado de Pesquisa Sênior, liderou o desenvolvimento do veto de nêutrons e a medição de sua eficiência para a análise atual.

O Prof. Flaecher acrescentou: “Para buscas de matéria escura, é de vital importância suprimir quaisquer fontes de radiação de fundo, em particular nêutrons e raios gama. Os detectores de veto do LZ nos permitem rejeitar tais processos e ganhar sensibilidade para interações extremamente raras de matéria escura.

“Finalmente, a LZ garantiu que o próprio xenônio líquido fosse o mais puro possível, removendo cuidadosamente um contaminante essencial por meio de um processo complexo que durou anos. Muitos sistemas complexos tiveram que se unir para que a LZ funcionasse, e esses resultados mostram que eles estão atuando em perfeita harmonia.”