Os físicos registraram um possível sinal de matéria escura


matéria escura
Diagrama esquemático do detector XENON1T


Físicos que trabalham no detector de matéria escura mais sensível do mundo, o XENON, relataram que foram capazes de capturar um sinal apontando potencialmente para partículas dessa substância misteriosa. Os resultados da pesquisa são publicados na revista Physical Review Letters. O mesmo número da revista contém artigos de cinco grupos de especialistas, cada um dos quais fornece uma avaliação de hipóteses que explicam a natureza dos sinais observados (artigo 1 , artigo 2 , artigo 3 , artigo 4 , artigo 5).
XENON é um projeto de pesquisa para o estudo da matéria escura, que está sendo implementado no laboratório Gran Sasso, na Itália . O próprio laboratório fica no subsolo para fornecer a blindagem necessária e reduzir o ruído de fundo.
Os físicos acreditam que as partículas de matéria escura, ou Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), podem ser detectadas registrando decaimentos nucleares e distúrbios em uma câmara fechada cheia de xenônio. Portanto, o principal elemento da instalação da terceira fase do projeto denominado XENON1T é um tanque com xenônio purificado por rádio líquido de duas toneladas.
De acordo com suposições teóricas, uma partícula de matéria escura que atinge os átomos no reservatório irá liberar fótons e elétrons, que são capturados como rajadas de luz por fotomultiplicadores no topo e no fundo do reservatório.
Em 16 de junho de 2020, os cientistas notaram sinais redundantes que não podiam explicar usando partículas do modelo padrão ou ruído de fundo. Em geral, durante o ano, os pesquisadores detectaram 285 eventos no XENON1T na faixa de energia em que esperavam a manifestação de partículas de matéria escura. E apenas 232 deles foram atribuídos com segurança pelos autores a sinais de fundo.
No entanto, o resto dos sinais "redundantes" não pareciam vir do WIMP. Um átomo refletindo em um impacto WIMP deve liberar fótons e elétrons, e a natureza dos eventos de "excesso" indica que partículas não identificadas interagem com os elétrons dos átomos.
Os pesquisadores do XENON analisaram três fontes possíveis: partículas emitidas pelo sol; vestígios de impurezas radioativas; e bósons de matéria escura, que se comportam de maneira diferente dos wimps.
Potenciais partículas solares - neutrinos e axions, segundo os autores, poderiam teoricamente atingir o detector XENON1T e produzir um sinal significativo nele. Porém, para isso, os neutrinos devem ter um momento magnético maior do que o previsto pelo modelo padrão. Além disso, ambas as hipóteses - neutrinos não padronizados e axions solares - contradizem as observações das estrelas: se essas partículas fossem emitidas pelo Sol em quantidades suficientes para explicar o sinal do XENON1T, seriam emitidas por outras estrelas, causando seu rápido resfriamento, o que não acontece.
Os autores não excluem a influência do fundo. Apesar dos esforços sem precedentes para suprimi-la, permanece alguma radioatividade fraca indesejada. Alguns dos sinais de fundo - de isótopos de xenônio, criptônio, iodo e chumbo - podem ser quantificados por físicos por meio de medições independentes. As contribuições de outros, como o trítio, não são bem compreendidas. Os autores observam que se o detector contém apenas três átomos de trítio por quilograma de xenônio, o decaimento beta do trítio sozinho pode explicar o sinal.
Mas o cenário mais intrigante, de acordo com os pesquisadores, é a presença de partículas de matéria escura além do WIMP. Primeiro, o sinal parece estar vindo de partículas que colidem principalmente com os elétrons dos átomos de xenônio. Em segundo lugar, cada uma dessas interações despeja vários quiloeletronvolts de energia no átomo.
Nesse caso, a energia de colisão deve corresponder à massa da partícula de matéria escura. Existem dois candidatos para esse papel, cada um com uma massa de cerca de dois keV - um axion mais pesado que o sol; e o fóton escuro é um primo mais massivo dos fótons comuns, com interações muito mais fracas com a matéria.
Os cientistas da colaboração XENON estimam que, se os fótons escuros forem absorvidos a uma taxa de 10 a 30 vezes menos que os fótons comuns, sua interação pode explicar o sinal no detector.
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