Em busca da matéria escura, detector capta sinal enigmático

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/10/2020

Uma partícula atingindo átomos no tanque de xenônio libera fótons e elétrons que podem ser detectados por fotomultiplicadores nas partes superior e inferior do tanque.
[Imagem: XENON1T/APS/Alan Stonebraker]

WIMPs

A colaboração internacional Xenon1T, que coordena um laboratório subterrâneo nas montanhas Gran Sasso, na Itália, detectou um "resultado inesperado" que está causando polêmica entre os físicos.

O grande objetivo do Xenon1T é encontrar indícios de uma hipotética partícula de matéria escura, aquela "alguma coisa" que poderia explicar a fonte da gravidade que impede que as galáxias se esfacelem.

Existem muitas hipóteses e teorias sobre o que seria a matéria escura, e este experimento procura por uma dessas hipotéticas partículas, conhecida como WIMP, sigla em inglês para "partícula massiva fracamente interativa". Se uma WIMP atravessar o tanque do experimento e acertar um átomo de xenônio com força suficiente, ela poderia produzir luz detectável - apesar do seu nome, o experimento foi atualizado e agora tem 2 toneladas de xenônio.

No conjunto de dados divulgado agora, coletados ao longo de um ano, os pesquisadores identificaram 285 eventos de detecção em uma faixa de energia onde esperavam apenas 232 eventos de fundo - um excesso com significância estatística de 3,5 sigmas, quando uma "descoberta" exige 5 sigmas.

Os eventos, no entanto, não parecem ter vindo de WIMPs. Um átomo recuando após ser atingido por uma WIMP deve liberar fótons e elétrons. Como as WIMPs interagem com os núcleos dos átomos, a relação elétron-fóton esperada é pequena. A grande proporção dos eventos relatados indica que eles vêm de partículas que interagem com os elétrons dos átomos.

Por isso os físicos saíram em busca de explicações alternativas.

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Partículas de matéria escura

A equipe analisou três explicações possíveis para esses dados: Partículas emitidas pelo Sol, bósons de matéria escura, que se comportariam de maneira diferente das WIMPs, e traços de contaminantes radioativos no experimento. A primeira não bate com os dados observacionais astrofísicos e a terceira foi facilmente descartada, mas a segunda pode indicar que os físicos atiraram no que viram (sua teoria preferida) e acertaram no que não viram (uma outra teoria para a matéria escura).

Enquanto uma WIMP iria colidir ou ricochetear em um átomo, um bóson de matéria escura poderia ser absorvido pelo átomo - bóson é uma partícula associada a uma força, e não à matéria, como os fótons, glúons e o próprio bóson de Higgs.

De modo semelhante ao efeito fotoelétrico, pelo qual fótons absorvidos geram fotoelétrons, a absorção de um bóson poderia liberar um elétron do átomo de xenônio. Nesse caso, a energia da colisão deve corresponder à massa da partícula de matéria escura. E dois outros candidatos a partículas de matéria escura têm massas em torno dos 2 keV detectados.

O primeiro é um áxion com uma massa maior do que a dos áxions solares considerados na primeira explicação. O segundo é um fóton escuro, um primo mais pesado dos fótons convencionais, com uma interação muito mais fraca com a matéria. A colaboração XENON estima que, se os fótons escuros fossem absorvidos a uma taxa de 10³⁰ vezes menor do que os fótons comuns, eles poderiam explicar o sinal.

Os sinais detectados não podem ser facilmente explicados nem pelo modelo padrão da física de partículas e nem pelos ruídos de fundo.
[Imagem: APS/Alan Stonebraker]

Mais experimentos

O maior problema ainda é a significância de apenas 3,5 sigmas, mas não será necessário esperar muito para ver se o sinal desaparece na estatística ou se chega aos 5 sigmas.

Um laboratório ainda maior, chamado XENONnT, com um tanque de xenônio ainda maior (8,3 toneladas) e melhor proteção contra ruídos, já está em construção no mesmo laboratório. E dois outros experimentos, o LUX-ZEPLIN nos EUA e o PandaX na China, também terão capacidade para detectar esses bósons de matéria escura - caso eles realmente existam.

Todos os demais experimentos feitos na tentativa de encontrar sinais da matéria escura falharam.

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