Começa Com Um Estrondo

É Matéria Escura? Mystery Signal dá um 'bump' no detector mais sensível do mundo

O detector XENON1T é mostrado aqui sendo instalado no subsolo nas instalações de LNGS na Itália. Um dos detectores de baixo fundo mais bem-sucedidos do mundo, o XENON1T foi projetado para pesquisar matéria escura, mas também é sensível a muitos outros processos. Esse design está valendo a pena, agora, em grande forma. (COLABORAÇÃO XENON1T)

Você nunca sabe o que vai encontrar quando procurar um lugar novo pela primeira vez.

A aproximadamente 1.400 metros de profundidade, abaixo da montanha italiana conhecida como Gran Sasso, cientistas da colaboração internacional XENON construíram o detector de matéria escura mais sensível do mundo. Durante anos, a colaboração XENON procurou toda e qualquer evidência de uma partícula misteriosa que vá além do nosso Modelo Padrão, estabelecendo vários recordes para os limites mais rigorosos da humanidade sobre o que a matéria escura pode (e não pode) ser.

Com mais dados do que nunca, um sinal surpreendente surgiu acima do cenário esperado em um lugar inesperado: em energias baixas, em vez de altas. Existem três explicações possíveis que conhecemos:

pode ser um contaminante desconhecido, como trítio,
pode ser que os neutrinos tenham uma propriedade surpreendente, diferente do que o Modelo Padrão prevê,
ou, o mais emocionante, pode ser nossa primeira evidência de um tipo especial de matéria escura clara, como uma partícula semelhante a um áxion.

A ciência por trás desse sinal misterioso é notável, independentemente da causa.

Quando uma partícula atinge um núcleo atômico, pode levar à produção de cargas livres e/ou fótons, que podem produzir um sinal visível nos tubos fotomultiplicadores ao redor do alvo. O detector XENON aproveita essa ideia de forma espetacular, tornando-o o experimento de detecção de partículas mais sensível do mundo. (NICOLLE R. FULLER/NSF/ICECUBE)

Se você quer encontrar algo que é indescritível, você tem que ser um detetive muito inteligente. Você não pode simplesmente construir um detector capaz de observar os eventos que está procurando; você também precisa proteger esse detector de todas as outras fontes que possam criar um sinal contaminante. Para ver algo significativo, o sinal desejado tem que subir acima do ruído do experimento, e essa é a parte complicada.

A colaboração XENON, há mais de uma década, trabalha exatamente nisso. Seu experimento é realizado no subsolo sob uma montanha, para protegê-la de partículas cósmicas originárias do espaço e da atmosfera. Ele é preenchido com mais de 3 toneladas de xenônio líquido ultrapuro, que serve como alvo para o experimento. Ele é cercado por tubos fotomultiplicadores para captar os sinais até mesmo de partículas únicas e carregadas e possui um enorme tanque de água para capturar quaisquer múons dispersos. Em suma, é um feito notável de engenharia.

Os fotomultiplicadores na borda do alvo do experimento XENON (com a iteração anterior, XENON100, mostrada aqui) são essenciais para reconstruir os eventos e suas energias que ocorreram dentro do detector. Embora a maioria dos eventos detectados seja consistente apenas com um pano de fundo, um excesso inexplicável foi visto recentemente, despertando a imaginação de muitos. (COLABORAÇÃO XENON)

Ao todo, existem alguns átomos de xenônio ~ 10²⁸ que servem como possíveis alvos dentro da iteração atual do detector XENON. (Isso foi ampliado em mais de um fator de 100 a partir da versão original do experimento, que remonta a 2006 ou mais.) Sempre que uma partícula - independentemente de sua fonte - entra no detector, ela tem uma probabilidade finita de interagir com um dos átomos de xenônio.

Infelizmente, a maioria dessas interações ocorre a partir de partículas já conhecidas, incluindo:

decaimentos radioativos,
nêutrons dispersos,
raios cósmicos,
múons,
e neutrinos,

todos os quais constituem o sinal de fundo que não pode ser removido. Em outras palavras, esse é o ruído que está presente. Se você quiser observar um sinal, ele precisa ser forte o suficiente para ser visível além desse ruído.

A busca por partículas de matéria escura nos levou a procurar WIMPs que podem recuar com núcleos atômicos. A Colaboração LZ (uma rival contemporânea da colaboração XENON) fornecerá os melhores limites de todas as seções transversais de WIMP-nucleon, mas pode não ser tão boa em revelar candidatos de baixa energia como o XENON. (COLABORAÇÃO LUX-ZEPLIN (LZ) / LABORATÓRIO NACIONAL DE ACELERADOR SLAC)

Experimentos como o XENON, embora sejam projetados principalmente para procurar partículas semelhantes a WIMP, são realmente sensíveis a uma ampla variedade de faixas de energia. Embora se esperasse que os sinais mais esperados ocorressem na faixa de energia ~GeV (onde 1 GeV corresponde a 1 bilhão de elétron-volts), o que XENON realmente viu - de acordo com o novo lançamento — foi um pequeno, mas significativo excesso de eventos com apenas alguns keV de energia: milhares, em vez de bilhões, de elétron-volts.

Por causa de quão bem blindado e calibrado é o detector XENON, eles esperavam apenas 232 eventos de fundo de todo o experimento na faixa relevante de baixa energia (1 a 7 keV). E, no entanto, quando examinaram seus resultados, encontraram um total de 285 eventos: 53 a mais do que o esperado. Pode ser uma quantia pequena, mas é incrivelmente significativa. Pela primeira vez, com um nível de confiança tão alto, a colaboração XENON viu algo que vai além do esperado do Modelo Padrão.

É indiscutível que a colaboração XENON viu eventos que não podem ser explicados apenas pelo histórico esperado. Três explicações parecem se encaixar nos dados, com contaminantes de trítio e axions solares (ou uma combinação dos dois) servindo como os melhores ajustes aos dados. (E. APRIL ET AL. (COLABORAÇÃO XENON), 2020)

Independentemente da fonte, esta é uma conquista técnica e científica incrível. Ao longo dos anos, muitos experimentos afirmaram ver um excesso de partículas de matéria escura em uma variedade de energias, e a colaboração XENON sempre forneceu uma verificação de sanidade em todos eles. Se essas afirmações estivessem corretas, deveria haver um sinal correspondente no detector XENON. Apesar de todas as alegações feitas na mídia, a XENON só retornou resultados nulos antes; nenhum sinal novo havia sido encontrado.

Mas desta vez, é uma história diferente. Pela primeira vez, este detector revelou um excesso de eventos acima e além do cenário esperado de todas as fontes conhecidas. É possível (mas estatisticamente muito improvável) que esta seja apenas uma flutuação aleatória incomum, mas o excesso é muito grande para que seja uma explicação convincente. Em vez disso, existem três cenários plausíveis que podem ser responsáveis por isso.

A linha cinza mostra o plano de fundo esperado do Modelo Padrão, enquanto os pontos pretos (com barras de erro) mostram os resultados experimentais. A linha vermelha, que inclui um componente devido a contaminantes de trítio, poderia explicar a totalidade do excesso de sinal. (E. APRIL ET AL. (COLABORAÇÃO XENON), 2020)

1.) Trítio contaminado . Um dos problemas com os antecedentes no experimento XENON surge de partículas cósmicas instáveis – múons (os primos mais pesados dos elétrons) – que interagem ou decaem dentro do aparelho XENON. Esses múons não podem ser evitados, mas podem ser entendidos e subtraídos construindo um grande tanque de água ao redor do detector XENON: algo que a colaboração já fez.

No entanto, a água contém hidrogênio e o hidrogênio vem em três isótopos diferentes: um único próton, um deutério (que inclui um nêutron) e trítio (que inclui dois nêutrons). O trítio é radioativo, e apenas uma pequena quantidade dele no alvo XENON ou nos tanques de água circundantes – correspondendo a apenas alguns milhares de átomos de trítio, no total – poderia explicar a totalidade do excesso. Ainda não existe uma maneira independente de medir uma quantidade tão pequena de trítio, mas é uma possibilidade importante (embora mundana) a ser lembrada.

Os últimos dados vistos no detector do experimento XENON mostram um excesso de eventos em baixas energias, o que pode ser explicado pelo neutrino ter um grande momento magnético. No entanto, outras restrições já descartam o momento magnético necessário para explicar o efeito observado. (E. APRIL ET AL. (COLABORAÇÃO XENON), 2020)

2.) Neutrinos têm um momento magnético . Se você colocasse um neutrino em um campo magnético, ele não deveria responder. De acordo com o Modelo Padrão, os neutrinos, como partículas pontuais não carregadas, devem ter um momento de dipolo magnético desprezível, cerca de 20 ordens de magnitude menor que o momento de dipolo do elétron. Mas se eles tivessem um momento de dipolo magnético grande o suficiente – talvez um bilhão de vezes maior do que as previsões do Modelo Padrão – isso poderia explicar o excesso de eventos vistos pelo XENON.

Infelizmente, essa explicação já é desfavorecida por duas fontes independentes: pelo experimento Borexino, que colocou restrições diretas no momento de dipolo do neutrino, e o resfriamento de aglomerados globulares e estrelas anãs brancas, que colocam restrições indiretas ainda mais rígidas. A menos que algo esteja errado com esses estudos anteriores, a explicação envolvendo um momento magnético de neutrino não pode se sustentar sozinha.

O detector XENON1T, com seu criostato de fundo baixo, é instalado no centro de um grande escudo de água para proteger o instrumento contra fundos de raios cósmicos. Essa configuração permite que os cientistas que trabalham no experimento XENON1T reduzam bastante o ruído de fundo e descubram com mais confiança os sinais dos processos que estão tentando estudar. A XENON não está apenas procurando por matéria escura pesada, semelhante a WIMP, mas outras formas de matéria escura em potencial, incluindo candidatos à luz, como fótons escuros e partículas semelhantes a áxions. (COLABORAÇÃO XENON1T)

3.) Axions produzidos no Sol . Uma das opções mais interessantes para a matéria escura é uma partícula chamada áxion: uma partícula muito leve produzido na transição que permite que prótons e nêutrons se formem de forma estável a partir de um mar de quarks e glúons. Embora seja de onde venha a esmagadora maioria dos áxions – se eles existem e se compõem a matéria escura – existem dois outros lugares onde os áxions são produzidos: no Big Bang e no interior das estrelas.

Essa última fonte inclui nosso Sol, é claro. E se os axions existem e compõem (pelo menos parte) da matéria escura, esses axions solares podem estar chegando ao detector de XENON. Eles são uma explicação notável e plausível para esse sinal, e esse pode ser o primeiro indício de sua existência. (O experimento ADMX, que procura por eles diretamente, até agora não deu resultado.) Se essa colisão misteriosa nos dados do XENON está conectada à matéria escura, os áxions solares são o mecanismo mais provável para explicar como.

Apesar da grande variedade de modelos de matéria escura disponíveis, eles não são consistentes com o sinal observado no detector XENON. Em vez disso, este último resultado coloca as restrições mais rígidas em vários cenários de matéria escura, incluindo matéria escura de bóson de vetor de luz, como mostrado aqui. Em uma parte muito estreita da faixa de massa de possíveis partículas de matéria escura, as restrições estelares são ligeiramente superiores. (E. APRIL ET AL. (COLABORAÇÃO XENON), 2020)

O que não está em debate, no entanto, é a ideia de que XENON viu diretamente evidências de matéria escura clara: uma partícula pseudoescalar ou um cenário de matéria escura vetorial bosônica, por exemplo. Mesmo que eles permitam que a massa da partícula candidata varie descontroladamente, não há nenhum sinal significativo que surja contra o pano de fundo para esses modelos. Outra coisa – talvez trítio, talvez neutrinos ou talvez axions solares – deve estar em jogo para explicar o excesso observado.

Em vez disso, os novos resultados da colaboração XENON colocam as restrições mais fortes de todos os tempos nesses dois modelos de matéria escura, superando as restrições de todos os outros experimentos, bem como observações astrofísicas. Apenas em uma estreita faixa de massa os limites estelares são mais restritivos; a colaboração XENON agora restringiu diretamente inúmeras opções para a matéria escura de forma mais rigorosa do que nunca.

O experimento XENON localizado no subsolo do laboratório italiano de LNGS. O detector é instalado dentro de um grande escudo de água; o edifício ao lado acomoda seus vários subsistemas auxiliares. Se pudermos entender e medir as propriedades das partículas da matéria escura, poderemos criar condições que a levem a se aniquilar, levando à liberação de energia via E = mc² de Einstein e à descoberta de um combustível perfeito para a espaçonave. (COLABORAÇÃO XENON1T)

É um feito notável que a colaboração XENON alcançou ao coletar tantos dados de alta qualidade em um ambiente tão primitivo, um triunfo para a física experimental, independentemente dos resultados. É uma surpresa feliz, no entanto, que algo esteja definitivamente causando um excesso de eventos em uma faixa de baixa energia muito específica (de 1 a 7 keV) no próprio detector.

Pode ser apenas trítio na água; alguns milhares de átomos de trítio em todo o aparelho podem ser os culpados. Pode ser que o neutrino tenha um grande momento magnético, mas outras observações entram em conflito com essa interpretação. Ou podem ser áxions – uma partícula candidata específica à matéria escura – produzida pelo Sol que está confundindo o detector.

De qualquer forma, há um novo mistério em andamento. Algo acabou de acontecer no experimento de detector mais sensível do mundo, e pode ser nossa primeira pista direta sobre a natureza da fonte de massa mais indescritível do Universo: a matéria escura.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .