O triunfo experimental do XENON: sem matéria escura, mas o melhor “resultado nulo” da história

Procurando por matéria escura, a colaboração XENON não encontrou absolutamente nada fora do comum. Eis por que isso é um feito extraordinário.
Quando uma partícula incidente 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. ( Crédito : Nicolle Rager Fuller/NSF/IceCube)
Principais conclusões
  • Quando você está tentando detectar algo que nunca viu antes, é fácil se enganar pensando que encontrou o que está procurando.
  • É muito mais difícil ser cuidadoso, preciso e puro, e estabelecer os maiores limites do que está descartado e do que permanece possível.
  • Na tentativa de detectar diretamente a matéria escura, a colaboração XENON quebrou todos os recordes anteriores, aproximando-nos mais do que nunca de saber o que a matéria escura pode ou não ser.
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Mais de 100 anos atrás, os fundamentos da física foram lançados no caos total por um experimento que não mediu absolutamente nada. Sabendo que a Terra se movia pelo espaço enquanto girava em seu eixo e orbitava o Sol, os cientistas enviaram feixes de luz em duas direções diferentes – uma ao longo da direção do movimento da Terra e outra perpendicular a ela – e depois os refletiram de volta ao ponto inicial. ponto, recombinando-os na chegada. Qualquer que seja a mudança que o movimento da Terra teria causado dentro dessa luz seria impressa no sinal recombinado, permitindo-nos determinar o verdadeiro “quadro de repouso” do Universo.



E, no entanto, não houve absolutamente nenhuma mudança observada. o Experiência de Michelson-Morley , apesar de alcançar um “resultado nulo”, acabaria transformando nossa compreensão do movimento dentro do Universo, levando às transformações de Lorentz e à relatividade especial posteriormente. Somente alcançando um resultado de alta qualidade e precisão, poderíamos aprender o que o Universo estava e o que não estava fazendo.



Hoje, entendemos como a luz viaja, mas outros quebra-cabeças mais difíceis de resolver permanecem, como descobrir a natureza da matéria escura. Com seus últimos e melhores resultados , a colaboração XENON quebrou seu próprio recorde de sensibilidade de como a matéria escura poderia estar interagindo com a matéria baseada em átomos. Apesar de um “resultado nulo”, é um dos resultados mais empolgantes da história da física experimental. Aqui está a ciência do porquê.



As estruturas de matéria escura que se formam no Universo (esquerda) e as estruturas galácticas visíveis que resultam (direita) são mostradas de cima para baixo em um Universo de matéria escura frio, quente e quente. Das observações que temos, pelo menos 98%+ da matéria escura deve ser fria ou quente; quente é descartado. Observações de muitos aspectos diferentes do Universo em uma variedade de escalas diferentes apontam, indiretamente, para a existência de matéria escura.
( Crédito : ITP, Universidade de Zurique)

Indiretamente, a evidência da matéria escura vem da observação astrofísica do Universo e é absolutamente esmagadora. Porque sabemos como a gravitação funciona, podemos calcular quanta matéria precisa estar presente em várias estruturas – galáxias individuais, em pares de galáxias em interação, dentro de aglomerados de galáxias, distribuídos por toda a teia cósmica, etc. – para explicar as propriedades que observamos . A matéria normal no Universo, feita de coisas como prótons, nêutrons e elétrons, simplesmente não é suficiente. Tem que haver alguma outra forma de massa lá fora, não descrita pelo Modelo Padrão, para que o Universo se comporte da maneira que realmente observamos.

As detecções indiretas são incrivelmente informativas, mas a física é uma ciência com maiores ambições do que simplesmente descrever o que está ocorrendo no Universo. Em vez disso, esperamos entender os detalhes de cada interação que ocorre, permitindo-nos prever com grande precisão qual será o resultado de qualquer configuração experimental. Para o problema da matéria escura, isso significaria entender as propriedades específicas do que exatamente compõe a matéria escura em nosso Universo, e isso inclui entender como ela interage: consigo mesma, com a luz e com os átomos normais. matéria que compõe nossos próprios corpos aqui na Terra.



O detector XENON, 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 XENON reduzam bastante o ruído de fundo e descubram com mais confiança os sinais dos processos que estão tentando estudar. XENON não está apenas procurando por matéria escura pesada, semelhante a WIMP, mas outras formas de matéria escura e energia escura em potencial.
( Crédito : Colaboração XENON)

A colaboração XENON vem realizando experimentos há muitos anos, tentando – de uma maneira muito específica – detectar diretamente a matéria escura. A ideia do experimento XENON é, em princípio, muito simples e pode ser explicada em apenas alguns passos.



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  • Etapa 1: crie um alvo intocado para a matéria escura potencialmente interagir. Eles escolheram grandes quantidades de átomos de xenônio, já que o xenônio é um gás nobre (não quimicamente reativo) com um grande número de prótons e nêutrons em seu núcleo.
  • Etapa 2: Proteja este alvo de todas as fontes potenciais de contaminação, como radioatividade, raios cósmicos, fenômenos atmosféricos, o Sol, etc. Eles fazem isso construindo o detector no subsolo e configurando uma série de sinais de “veto” para remover contaminantes.
  • Etapa 3: construa um detector extremamente sensível a quaisquer sinais que possam surgir do processo que você está interessado em observar. No caso deste experimento, isso é conhecido como câmara de projeção do tempo, onde uma colisão entre um átomo de xenônio e qualquer partícula criará uma assinatura semelhante a uma trilha que pode ser reconstruída. Claro, as partículas de matéria escura não são a única assinatura que aparecerá, e é por isso que o próximo passo é…
  • Passo 4: Entenda o fundo restante com precisão. Sempre haverá sinais que você não pode remover: neutrinos do Sol, radioatividade natural da Terra circundante, múons de raios cósmicos que percorrem todo o caminho através da Terra intermediária, etc. É importante quantificá-los e entendê-los, para que eles podem ser devidamente contabilizados.
  • Passo 5: E então, medindo qualquer sinal que apareça e se destaque acima do fundo, determine quais possibilidades restam de como a matéria escura pode estar interagindo com seu material alvo.
Os fotomultiplicadores na borda do alvo do experimento XENON (com uma 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 em baixas energias foi visto em 2020, despertando a imaginação de muitos.
( Crédito : colaboração XENON)

A verdadeira beleza do experimento XENON é que ele é, por design, escalável. A cada iteração sucessiva do experimento XENON, eles aumentaram a quantidade de xenônio presente no detector, o que, por sua vez, aumenta a sensibilidade do experimento a qualquer interação que possa estar presente entre a matéria escura e a matéria normal. Se mesmo 1 em 100.000.000.000.000.000.000 átomos de xenônio tivessem sido atingidos por uma partícula de matéria escura ao longo de um ano, resultando em uma troca de energia e momento, essa configuração seria capaz de detectá-la.

Com o tempo, a colaboração XENON passou de quilogramas para centenas de quilogramas para uma tonelada e agora 5,9 toneladas de xenônio líquido como seu “alvo” no experimento. (É por isso que a iteração atual do experimento é conhecida como XENONnT, porque é uma atualização para “n” toneladas de alvo de xenônio, onde n agora é substancialmente maior que 1.) Simultaneamente, com cada atualização sucessiva do experimento, eles Também conseguimos reduzir o que eles chamam de “fundo experimental” por meio de uma melhor compreensão, quantificação e proteção do detector contra sinais confusos que poderiam imitar uma possível assinatura de matéria escura.



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.
( Crédito : Colaboração LZ/SLAC)

Uma das propriedades notáveis ​​dos experimentos da colaboração XENON é que eles são sensíveis a sinais potenciais que cobrem um fator de mais de um milhão em termos de energia e massa. A matéria escura, embora saibamos (a partir da evidência astrofísica indireta) quanto dela deve estar presente em todo o Universo, pode assumir a forma de:

  • um grande número de partículas de pequena massa,
  • um número moderado de partículas de massa intermediária,
  • um número menor de partículas de massa pesada,
  • ou um número muito baixo de partículas extremamente massivas.

Das restrições indiretas, pode ser qualquer uma dessas. Mas um dos poderes dos experimentos de detecção direta é que a quantidade de energia e momento que seria transmitido a um único átomo de xenônio de uma colisão é diferente dependendo da massa da partícula que o atinge.



Em outras palavras, construindo nosso detector de modo que seja sensível tanto à energia recebida por um átomo de xenônio de uma colisão quanto ao momento recebido por um átomo de xenônio de uma colisão, podemos determinar qual a natureza (e massa de repouso) da partícula que atingiu foi.



Esta imagem mostra o interior de um protótipo de Câmara de Projeção de Tempo (TPC), uma das ferramentas mais essenciais para detectar recuos e colisões em experimentos de física de partículas muito sensíveis. Essas são tecnologias essenciais para esforços experimentais de detecção de matéria escura e neutrinos.
( Crédito : Reidar Hahn, Fermilab)

Isso é realmente importante, porque embora tenhamos alguns modelos teoricamente preferidos para o que a matéria escura pode ser, os experimentos fazem muito mais do que apenas descartar ou validar certos modelos. Ao olhar para onde nunca olhamos antes – com maior precisão, sob condições mais puras, com maior número de estatísticas, etc. E essas restrições se aplicam a possibilidades de matéria escura de massa muito baixa a massa muito alta; os experimentos XENON são tão compreensivelmente bons.

Por mais que saibamos sobre o Universo, além do que já foi estabelecido, a física é sempre uma ciência experimental e observacional. Onde quer que nosso conhecimento teórico termine, devemos sempre confiar em experimentos, observações e medições sobre o Universo para ajudar a nos guiar adiante. Às vezes, você encontra resultados nulos, o que nos dá restrições ainda mais rígidas sobre o que ainda é permitido do que nunca. Às vezes, você descobre que detectou algo, e isso leva a uma investigação mais aprofundada para descobrir se o que você detectou é realmente o sinal que você procura ou se é necessária uma melhor compreensão de seu histórico. E, às vezes, você encontra algo totalmente inesperado, que de muitas maneiras é o melhor resultado a se esperar de todos.



É indiscutível que a colaboração XENON1T 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. A explicação do momento magnético do neutrino tem outras restrições que a desfavorecem fortemente.
( Crédito : E. Aprile et al. para a Colaboração XENON, PRD, 2020)

Há apenas dois anos, trabalhando com a encarnação anterior do experimento XENON (XENON1T), surgiu uma surpresa: com o que era então o esforço de detecção direta de matéria escura mais sensível de todos os tempos, um excesso de eventos foi visto em energias particularmente baixas: apenas cerca de 0,5% do equivalente em massa do elétron. Enquanto algumas pessoas imediatamente chegaram à conclusão mais louca que se possa imaginar – que era algum tipo exótico de matéria escura, como uma partícula pseudoescalar ou vetorial bosônica – a colaboração experimental foi muito mais comedida e responsável.

Eles falaram sobre as possibilidades exóticas, com certeza, incluindo axions solares e a possibilidade de que os neutrinos tivessem um momento magnético anômalo, mas também fizeram questão de incluir restrições pré-existentes relacionadas a esses cenários. Eles falaram sobre as possibilidades de que o sinal tenha sido causado por uma fonte de contaminação de fundo até então desconhecida, com trítio na água pura circundante sendo uma fonte interessante. (Para o tamanho do experimento, que incluiu cerca de 10 28 átomos de xenônio na época, apenas alguns milhares de moléculas de trítio, no total, poderiam ter causado esse sinal.)



Mas a colaboração XENON não parou por aí. Eles priorizaram melhor quantificar e reduzir seu histórico e sabiam que a próxima iteração de seu experimento responderia à pergunta para sempre.

Os resultados mais recentes da iteração XENONnT da colaboração XENON mostram claramente um plano de fundo ~5x aprimorado sobre o XENON1T e demolim completamente qualquer evidência de um excesso de sinal de baixa energia que havia sido visto anteriormente. É um tremendo triunfo para a física experimental.
( Crédito : E. Aprile et al. para a Colaboração XENON, arXiv:2207.11330, 2022)

Agora, em 2022, apesar de mais de dois anos de pandemia global, o A colaboração XENON chegou na moda cintilante. Eles reduziram seu histórico com tanto sucesso que melhorou por um fator de ~ 5 de apenas dois anos atrás: uma melhoria quase inédita para um experimento dessa escala. Os nêutrons livres, uma das maiores fontes de contaminação, foram melhor quantificados e compreendidos do que nunca, e a equipe criou um novo sistema para rejeitar esse tipo de fundo.

Em vez de caçar “fantasmas na máquina” que podem ter estado presentes em seu último esforço, eles simplesmente aprenderam suas lições e fizeram um trabalho superior desta vez.

Os resultados?

Muito simplesmente, eles mostraram que o que quer que estivesse causando o ligeiro excesso em baixas energias no experimento anterior não era um sinal que se repetia nesta iteração, demonstrando completamente que era parte do fundo indesejado, não um sinal de algum novo tipo de partícula atingindo um núcleo de xenônio em seu aparelho. Na verdade, o fundo que permanece é tão bem compreendido que agora é dominado por decaimentos fracos de segunda ordem: onde um núcleo de xenônio-124 captura dois elétrons simultaneamente, ou um núcleo de xenônio-136 vê dois de seus nêutrons decaindo radioativamente em uma vez.

Xenon, o átomo, vem em muitos isótopos diferentes. Dois deles, Xe-124 e Xe-136, exibem decaimentos fracos duplos, e esses eventos raros agora dominam o fundo de baixa energia no experimento da colaboração XENON executando o XENONnT em 2022.
( Crédito : E. Aprile et al. para a Colaboração XENON, arXiv:2207.11330, 2022)

Tudo isso, junto, significa três coisas para o experimento.

  1. A colaboração XENON agora quebrou o recorde - seu próprio recorde, lembre-se - para o experimento de detecção direta de matéria escura mais sensível já realizado. Nunca antes tantas partículas foram mantidas em condições tão primitivas e tiveram suas propriedades medidas com tanta precisão ao longo do tempo. Muitas outras colaborações envolvidas na busca por partículas de matéria escura devem olhar para XENON como o garoto-propaganda de como fazer isso direito.
  2. A ideia de que XENON, em 2020, detectou algo novo que poderia apontar para uma nova física, finalmente foi posta de lado por ninguém menos que a própria colaboração XENON. Houve centenas, senão milhares, de artigos teóricos tentando inventar uma variedade de explicações malucas para o que poderia ser o excesso, mas nenhum deles avançou nem um pouquinho em nossa compreensão do Universo. A resolução veio experimentalmente, mostrando mais uma vez o poder de um experimento de qualidade.
  3. E quando se trata da questão da matéria escura, esses últimos resultados da colaboração XENON nos deram, em uma ampla variedade de métricas, as restrições mais rígidas de todos os tempos sobre quais tipos de propriedades de partículas as partículas maciças de matéria escura ainda podem ter enquanto ainda consistente com este experimento.

Ao todo, é uma vitória espetacular para os esforços de detecção direta para entender melhor o Universo.

Este gráfico de 4 painéis mostra restrições nos axions solares, no momento magnético dos neutrinos e em dois “sabores” diferentes de candidatos à matéria escura, todos limitados pelos resultados mais recentes do XENONnT. Essas são as melhores restrições na história da física e demonstram de forma notável o quão boa a colaboração XENON chegou ao que eles fazem.
( Crédito : E. Aprile et al. para a Colaboração XENON, arXiv:2207.11330, 2022)

Talvez a melhor característica de todas seja o quão escrupulosamente a colaboração XENON conduziu esta pesquisa: eles fizeram uma análise completamente cega. Isso significa que eles conduziram cuidadosamente todas as suas contas sobre quais eram suas expectativas e compreensão antes mesmo de analisar os dados e simplesmente canalizaram esses dados quando chegou o momento crítico. Quando eles se “revelaram” e viram os resultados, e viram o quão baixo era seu histórico, quão bom era seu sinal e como as “dicas” anteriores simplesmente não apareciam nos dados mais recentes, eles sabiam que haviam resolvido seus problemas anteriores . É uma vitória selvagem para a física experimental e uma vitória incontestável para o processo da ciência.

Há muitas pessoas – até mesmo alguns cientistas – que condenam “resultados nulos” como não sendo importantes para a ciência, e essas são as pessoas que devem ser mantidas o mais longe possível da física experimental a todo custo. A física foi e sempre será uma ciência experimental, e suas fronteiras estão sempre um pouco além de onde quer que tenhamos olhado com mais sucesso. Não temos como saber o que está além das fronteiras conhecidas, mas sempre que podemos olhar, o fazemos, pois nossa curiosidade não pode ser saciada por mera pontificação. O Universo não está apenas lá fora para explorarmos, mas aqui mesmo: dentro de cada partícula subatômica na Terra. Com um novo conjunto de resultados impressionantes, o XENON acaba de catapultar a ciência da busca de novas partículas para um reino em que nunca esteve antes: para onde ideias que só podiam ser imaginadas há alguns anos foram excluídas por experimentos , com muito mais ainda por vir.

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