O mistério da matéria escura

Determinar a natureza da matéria escura, a substância invisível que compõe a maior parte da massa em nosso universo, é um dos grandes enigmas da física. Novos resultados do detector de matéria escura mais sensível do mundo, LUX-ZEPLIN (LZ), ajudaram a restringir as possibilidades para um dos principais candidatos a matéria escura: partículas massivas fracamente interagentes (WIMPs).

Explorando limites

“Embora sempre esperemos descobrir uma nova partícula, é importante para a física de partículas que sejamos capazes de estabelecer limites sobre o que a matéria escura pode realmente ser”, afirmou o físico experimental da UC Santa Barbara, Hugh Lippincott. Os cientistas suspeitam da existência da matéria escura há décadas, mas ela continua sendo uma substância misteriosa – que, no entanto, desempenha um papel fundamental na estrutura do universo.

A busca por matéria escura

O LZ busca matéria escura a partir de uma caverna localizada a quase um milha subterrânea no Sanford Underground Research Facility (SURF) em Dakota do Sul. Os novos resultados do experimento exploram interações de matéria escura mais fracas do que nunca foram pesquisadas antes e limitam ainda mais o que os WIMPs poderiam ser. Os resultados analisam 280 dias de dados: um novo conjunto de 220 dias (coletados entre março de 2023 e abril de 2024) combinado com 60 dias anteriores da primeira corrida do LZ. O experimento planeja coletar 1.000 dias de dados antes de terminar em 2028.

Como funciona o detector LZ

A parte interna do detector LZ consiste em dois tanques de titânio aninhados, preenchidos com dez toneladas de xenônio líquido puro e transparente, que é tão denso que cria um ambiente altamente isolado, livre do “ruído” do mundo exterior e perfeito para capturar os mais frágeis dos sinais que poderiam indicar a presença de um WIMP. A esperança é que um WIMP atinja um núcleo de xenônio, fazendo com que ele se mova, semelhante a um golpe de bola em uma partida de bilhar. Ao coletar a luz e os elétrons emitidos durante as interações, o LZ captura sinais potenciais de WIMPs juntamente com outros dados. Este núcleo de xenônio líquido é cercado por um Detector Externo (OD) muito maior – tanques acrílicos preenchidos com scintilador líquido carregado de gadolínio.

Sensibilidade do LZ

A sensibilidade do LZ vem das inúmeras maneiras como o detector pode reduzir os fundos, os sinais falsos que podem imitar ou ocultar uma interação de matéria escura. Profundamente subterrâneo, o detector é protegido de raios cósmicos provenientes do espaço. Para reduzir a radiação natural de objetos do dia-a-dia, o LZ foi construído a partir de milhares de partes ultralimpas e de baixa radiação. O detector é montado como uma cebola, com cada camada bloqueando a radiação externa ou rastreando interações de partículas para descartar imitações de matéria escura. Além disso, novas técnicas de análise sofisticadas ajudam a descartar interações de fundo.

Contribuições da UCSB

A UCSB foi um dos grupos fundadores do LZ, liderado pelo físico da UCSB, Harry Nelson, que sediou a primeira reunião do LZ na UCSB em 2012. A equipe atualmente é composta pelos professores Lippincott e Nelson, pesquisadores de pós-doutorado Chami Amarasinghe e TJ Whitis, e alunos de graduação Jeonghwa Kim, Makayla Trask, Lindsey Weeldreyer e Jordan Thomas. Outros colaboradores dos resultados incluem o recente doutorando Jack Bargemann, agora pesquisador de pós-doc no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, e o ex-pesquisador de graduação Tarun Advaith Kumar, agora estudante de pós-graduação no Instituto Perimeter. O coordenador de física para o resultado foi Scott Haselschwardt, que obteve seu doutorado na UCSB em 2018 e é agora professor assistente na Universidade de Michigan.

Desafios com partículas

Os nêutrons, partículas subatômicas que existem em todos os átomos, exceto hidrogênio, são alguns dos mais comuns confundidores de sinais de WIMPs. Nelson e a UCSB lideraram o projeto, fabricação e comissionamento do OD, o componente crítico que permite à colaboração descartar essas partículas e permitir uma descoberta real.

“A grande dificuldade com os nêutrons é que eles também interagem com os núcleos de xenônio, emitindo um sinal idêntico ao que esperamos de WIMPs”, disse Trask. “O OD é excelente na detecção de nêutrons e confirma uma detecção de WIMP ao não ter nenhuma resposta.” A presença de um pulso no OD pode veto um candidato que, de outra forma, seria perfeito para uma detecção de WIMP.

Monitorando a radônio

O radônio também é um imitador de WIMP, para o qual os cientistas devem estar atentos. “O radônio passa por uma sequência particular de decaimentos, alguns dos quais podem ser confundidos com WIMPs”, disse Bargemann. “Uma das coisas que conseguimos fazer nesta rodada foi acompanhar todo o conjunto de decaimentos no detector para identificar o radônio e evitar confundi-los com WIMPs.”

Técnicas de análise

Para proporcionar um resultado sólido e eliminar preconceitos inconscientes, a colaboração LZ aplicou uma técnica chamada “salting”, que adiciona sinais falsos de WIMP durante a coleta de dados. Ao camuflar os dados reais até o “desalting” no final, os pesquisadores podem evitar preconceitos inconscientes e evitar interpretações excessivas ou alterações em sua análise.

“Estamos expandindo os limites para um regime onde as pessoas não procuraram matéria escura antes”, disse Haselschwardt. “Há uma tendência humana de querer ver padrões nos dados, então é realmente importante, quando você entra nesse novo regime, que nenhum preconceito se insinue. Se você fizer uma descoberta, você quer acertar.”

Resultados e o futuro da LZ

Com esses resultados, o campo de possibilidades para o que os WIMPs podem ser foi drasticamente reduzido, permitindo que todos os cientistas que procuram por matéria escura concentrem melhor suas buscas e rejeitem modelos incorretos de como o universo funciona. É um jogo de longo prazo, com mais coleta de dados no futuro e que fará mais do que acelerar a busca pela matéria escura.

“Nosso experimento também é sensível a eventos raros com raízes em diversas áreas da física”, disse Amarasinghe. “Alguns exemplos são neutrinos solares, os fascinantes decaimentos de certos isótopos de xenônio e até outros tipos de matéria escura. Com a intensidade deste resultado atrás de nós, estou muito animado para dedicar mais tempo a essas buscas.”

A história da UCSB na busca por matéria escura

“O Departamento de Física da UCSB tem uma longa história de elaboração de pesquisas para a matéria escura, começando com um dos primeiros resultados publicados de uma busca em 1988”, disse Nelson. Os membros anteriores do corpo docente incluem David Caldwell (agora falecido) e Michael Witherell, agora diretor do Laboratório Lawrence Berkeley. David Hale (agora aposentado) pioneiro muitas das técnicas para suprimir sinais falsos de matéria escura que agora são empregadas em todo o campo de buscas por matéria escura. “A UCSB, através do Departamento de Física, da Faculdade de Letras e Ciências, da administração, e através de doações privadas, tem apoiado fortemente o esforço sobre matéria escura há décadas e fez contribuições substanciais para o LZ.”

A colaboração LZ

O LZ é uma colaboração de cerca de 250 cientistas de 38 instituições nos Estados Unidos, Reino Unido, Portugal, Suíça, Coreia do Sul e Austrália; grande parte do trabalho de construção, operação e análise do experimento recordista é realizado por pesquisadores em início de carreira. A colaboração já está ansiosa para analisar o próximo conjunto de dados e estender nossas técnicas de análise de dados para buscar sinais de matéria escura de menor massa. Os cientistas também estão considerando potenciais melhorias para aumentar ainda mais o LZ e planejando um detector de matéria escura de próxima geração chamado XLZD.

Apoio institucional ao LZ

O LZ é apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Escritório de Física de Alta Energia e pelo Centro Nacional de Computação Científica e de Pesquisa Energética, uma instalação usuária do Escritório de Ciência do DOE. O LZ também é apoiado pelo Conselho de Ciência e Tecnologia do Reino Unido; pela Fundação Portuguesa para a Ciência e Tecnologia; pela Fundação Nacional Suíça para a Ciência, e pelo Instituto de Ciência Básica, da Coreia. Mais de 38 instituições de ensino superior e pesquisa avançada forneceram apoio ao LZ. A assistência do Sanford Underground Research Facility foi essencial para os esforços da UCSB no LZ.