Como o experimento que alegava detectar matéria escura se enganou
Crédito da ilustração: Sandbox Studio, Chicago, via http://www.symmetrymagazine.org/article/december-2013/four-things-you-might-not-know-about-dark-matter.
O experimento DAMA tem visto uma modulação anual em seu sinal por mais de uma década. Mas pode ser explicado sem invocar a matéria escura?
O artigo de hoje é cortesia de Sabine Hossenfelder. Sabine é professora assistente de física de alta energia em Nordita, Estocolmo. Ela escreve um blog chamado Reação e tweets como @skdh .
Os físicos têm muitas evidências da existência de matéria escura, matéria muito parecida com o tipo de que somos feitos, mas que não emite luz. No entanto, até agora todas essas evidências vêm da atração gravitacional da matéria escura, que afeta o movimento das estrelas, a formação de estruturas e atua como uma lente gravitacional para dobrar a luz, tudo isso já foi observado. Ainda não sabemos, no entanto, qual é a natureza microscópica da matéria escura. Qual é o tipo de partícula (partículas?) de que a matéria escura é composta e quais são suas interações?
Crédito da imagem: NASA, ESA e T. Brown e J. Tumlinson (STScI).
Poucos físicos hoje duvidam que a matéria escura exista, e a grande maioria presume que seja algum tipo de partícula que simplesmente escapou da detecção até agora. Primeiro, há todas as evidências para sua interação gravitacional. Acrescente a isso que não conhecemos nenhuma boa razão pela qual toda a matéria deve se acoplar a fótons e, com base nisso, podemos realmente esperar a existência de matéria escura. Além disso, temos várias teorias candidatas para a física além do modelo padrão que contém partículas que cumprem as propriedades necessárias para a matéria escura. Finalmente, explicações alternativas, modificando a gravidade em vez de adicionar um novo tipo de matéria, são desfavorecidas pelos dados existentes.
Não surpreendentemente, portanto, a matéria escura passou a dominar a busca pela física além do modelo padrão. Parece que somos tão próximos!
De forma irritante, apesar de muitos esforços experimentais, ainda não temos evidências diretas da interação de partículas de matéria escura; nem autointerações entre as próprias partículas de matéria escura nem com a matéria normal da qual somos feitos. Muitos experimentos estão procurando evidências dessas interações. É a própria natureza da matéria escura – interagindo tão fracamente com nossa matéria normal e consigo mesma – que torna tão difícil encontrar evidências.
Uma observação que está sendo procurada são os produtos de decaimento das interações da matéria escura em processos astrofísicos. Existem atualmente várias observações, como o excesso de raios γ de Fermi ou o excesso de pósitrons, cuja origem astrofísica não é atualmente compreendida e, portanto, pode ser devido à matéria escura. Mas a astrofísica combina muitos processos em muitas escalas de energia e densidade, e é difícil excluir que algum sinal não foi causado apenas por partículas do modelo padrão.
Outro tipo de evidência que está sendo procurado vem de experimentos projetados para serem sensíveis à raríssima interação da matéria escura com nossa matéria normal quando ela passa pelo planeta.
Crédito da imagem: Matt Kapust, Sanford Underground Research Facility / experimento LUX.
Esses experimentos têm a vantagem de acontecerem em um ambiente conhecido e controlado (em oposição a algum lugar no centro de nossa galáxia). Eles geralmente estão localizados no subsolo em minas antigas para filtrar tipos indesejados de partículas (por exemplo, do Sol, da superfície do planeta, fontes radioativas etc.), coletivamente chamadas de fundo. Se um experimento pode ou não detectar interações de matéria escura dentro de um certo período de tempo, depende da densidade e força de acoplamento da matéria escura, da magnitude do fundo e também do tipo de material detector.
Até agora, nenhuma das pesquisas de matéria escura resultou em um sinal positivo estatisticamente significativo.
Crédito da imagem: Colaboração Xenon-100 (2012), via http://arxiv.org/abs/1207.5988 . A curva mais baixa exclui seções transversais de WIMP (partícula massiva de interação fraca) e massas de matéria escura para qualquer coisa localizada acima dela.
Eles estabeleceram restrições ao acoplamento e densidade da matéria escura. Valioso, sim, mas frustrante, no entanto.
Um experimento que incutiu tanto esperança quanto controvérsia entre os físicos é o experimento DAMA. O experimento DAMA vê uma modulação anual inexplicável na taxa de eventos com alta significância estatística. Se o sinal fosse causado por matéria escura, esperaríamos que houvesse uma modulação anual devido ao nosso movimento celeste ao redor do Sol. A taxa de eventos depende da orientação do detector em relação ao nosso movimento e deve atingir o pico por volta de 2 de junho, consistente com os dados do DAMA.
Crédito das imagens: colaboração DAMA, de Eur.Phys.J. C56 (2008) 333-355 (topo) e colaboração DAMA/LIBRA de Eur.Phys.J. C67 (2010) 39-49 (abaixo). A modulação anual é real e robusta, mas sua causa é desconhecida.
É claro que existem outros sinais que têm uma modulação anual que causam reações com o material dentro e ao redor do detector. Notavelmente, há o fluxo de múons que são produzidos quando os raios cósmicos atingem a atmosfera superior. O fluxo de múons, no entanto, depende da temperatura na atmosfera e atinge o pico aproximadamente 30 dias tarde demais para explicar as observações. A colaboração do DAMA levou em consideração todos os outros tipos de antecedentes que eles poderiam pensar, ou que outros físicos pudessem pensar, mas a matéria escura continuou sendo a melhor maneira de explicar os dados.
O experimento DAMA recebeu muita atenção não principalmente por causa da presença do sinal, mas por causa da falha dos físicos em explicar o sinal com qualquer coisa além de matéria escura. Isso aumenta a controvérsia de que o sinal DAMA, se devido à matéria escura, parece estar em uma faixa de parâmetros já excluída por outras pesquisas de matéria escura. Então, novamente, isso pode ser devido a diferenças nos detectores.
Crédito das imagens: O projeto DAMA, recuperado via http://people.roma2.infn.it/~dama/web/home.html .
A questão tem sido discutida de um lado para o outro há cerca de uma década.
Tudo isso pode mudar agora que Jonathan Davis da Universidade de Durham, Reino Unido, em um artigo recente demonstrou que o sinal DAMA pode ser ajustado por combinando o fluxo atmosférico de múons com o fluxo de neutrinos solares: Ajustando a modulação anual em DAMA com nêutrons de múons e neutrinos .
Os neutrinos interagem com a rocha ao redor do detector subterrâneo, criando assim partículas secundárias que contribuem para o fundo. A força do sinal de neutrinos depende da distância da Terra ao Sol e atinge o pico por volta de 2 de janeiro, no periélio. Em seu artigo, Davis demonstra que, para certos valores dos fluxos de múons e neutrinos, essas duas modulações se combinam para se ajustar muito bem aos dados DAMA. O encaixe, na verdade, é igualmente tão bom quanto uma explicação da matéria escura. E a robustez da qualidade de seu modelo permanece tão boa quanto a explicação da matéria escura, mesmo depois que ele corrigiu a qualidade do ajuste levando em consideração o maior número de parâmetros.
Além disso, Davis discute como as duas explicações possíveis poderiam ser distinguidas uma da outra com um experimento adicional. Por exemplo, você pode analisar os dados DAMA/LIBRA para alterações residuais na atividade solar que não deveriam estar presentes se o sinal fosse inteiramente devido à matéria escura.
Tim Tait, professor de física teórica de partículas na Universidade da Califórnia, Irvine, comentou que [Esta] pode ser a primeira explicação auto-consistente para DAMA. Uma ressalva importante ou motivo de cautela é que o argumento de Davis é parcialmente baseado em estimativas para a taxa de reação dos neutrinos com a rocha que ainda precisa ser confirmada com estudos mais qualitativos. Mas Thomas Dent, um ex-cosmólogo de partículas que agora trabalha na análise de dados de ondas gravitacionais, deu as boas-vindas à explicação de Davis: o DAMA tem sido uma distração para os teóricos por muito tempo.
Se o modelo de Davis for confirmado, teremos finalmente esclarecido um dos resultados mais intrigantes da física experimental da última década e reforçado o que sabemos sobre o que a matéria escura pode (e não pode ) estar!
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