Cientistas avançam em pesquisa sobre identidade da matéria escura

South Dakota, Sanford Underground Research Facility — InkDesign News — Um novo avanço na busca pela matéria escura foi anunciado em 2024: cientistas do experimento LUX-ZEPLIN (LZ), atualmente o detector mais sensível do mundo para esse propósito, divulgaram resultados que restringem ainda mais as possibilidades sobre a natureza das partículas candidatas a compor a matéria escura, em especial as chamadas partículas massivas fracamente interativas (WIMPs).

O Contexto da Pesquisa

Por décadas, a matéria escura permaneceu um dos maiores enigmas da física moderna, sendo suspeita de compor a maior parte da massa do universo sem, no entanto, interagir com a luz ou outras formas convencionais de matéria. A colaboração LZ reúne cerca de 250 cientistas de 38 instituições em países como Estados Unidos, Reino Unido, Portugal, Suíça, Coreia do Sul e Austrália. O experimento opera a quase 1,6 km sob a superfície, no Sanford Underground Research Facility, buscando sinais que possam indicar colisões entre WIMPs e núcleos de xenônio.

O Departamento de Física da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, historicamente envolvido em pesquisas de ponta nessa área, contribui significativamente desde a fundação do LZ, conforme destacou Hugh Lippincott, físico experimental da mesma instituição. O LZ promete uma nova era para o estudo das partículas responsáveis pela estrutura invisível do cosmos.

Resultados e Metodologia

Os resultados recentes analisaram 280 dias de dados — sendo 220 dias coletados entre março de 2023 e abril de 2024, e mais 60 dias do ciclo inicial. O detector é composto por tanques de titânio, com dez toneladas de xenônio líquido ultra puro, envolvidos por detectores de escintilação carregados de gadolínio. Esse ambiente, isolado dos ruídos cósmicos e composto por materiais de baixíssima radioatividade, permite flagrar os eventos mais raros, como uma colisão de WIMP com um núcleo de xenônio.

“While we always hope to discover a new particle, it is important for particle physics that we are able to set bounds on what the dark matter might actually be.”
(“Embora sempre esperemos descobrir uma nova partícula, é importante para a física de partículas que possamos estabelecer limites sobre o que a matéria escura pode realmente ser.”)

— Hugh Lippincott, Físico Experimental, Universidade da Califórnia, Santa Bárbara

Para excluir falsos positivos, o sistema utiliza camadas que bloqueiam radiação externa, além do monitoramento detalhado de nêutrons — tradicionalmente confundidos com WIMPs devido à sua interação similar com o xenônio. A equipe aplicou ainda a técnica de “salting”, inserindo sinais artificiais durante a coleta de dados e eliminando-os só ao final, prevenindo vieses inconscientes na interpretação dos resultados. Um desafio adicional é o radônio, cujas decaídas radioativas podem imitar os sinais procurados. A identificação precisa desses eventos foi aprimorada ao longo do novo ciclo de análise.

“The tricky thing about neutrons is that they also interact with the xenon nuclei, giving off a signal identical to what we expect from WIMPs,” Trask said. “The OD is excellent at detecting neutrons, and confirms a WIMP detection by not having any response.”
(“O complicado sobre os nêutrons é que eles também interagem com os núcleos de xenônio, produzindo um sinal idêntico ao que esperamos dos WIMPs,” disse Trask. “O OD é excelente na detecção de nêutrons, e confirma uma detecção de WIMP justamente por não ter nenhuma resposta.”)

— Makayla Trask, Estudante de Pós-Graduação, Universidade da Califórnia, Santa Bárbara

Implicações e Próximos Passos

O novo conjunto de resultados restringe significativamente o campo de possibilidades para as WIMPs, permitindo que modelos errôneos sobre a matéria escura sejam descartados por pesquisadores do mundo inteiro. O experimento deve coletar dados até 2028, totalizando mais de mil dias úteis para análises e refinamento de métodos. Planeja-se ainda a busca por partículas de massa ainda menor e a preparação para um detector de próxima geração, o XLZD.

Além de limitar as chances para as WIMPs, o LZ já se mostra promissor na detecção de eventos raros, como neutrinos solares e decaimentos incomuns de isótopos do xenônio, expandindo sua relevância para múltiplas áreas da física fundamental.

Com o avanço das análises e a perspectiva de novos upgrades para o experimento, os pesquisadores esperam aprofundar a compreensão sobre a matéria escura e, eventualmente, revelar a identidade de uma das componentes mais misteriosas do universo.

Fonte: (ScienceDaily – Ciência)