Determinar a natureza da matéria escura, a substância invisível que compõe a maior parte da massa do nosso universo, é um dos maiores enigmas da física. Novos resultados do detector de matéria escura mais sensível do mundo, LUX-ZEPLIN (LZ), restringiram as possibilidades para um dos principais candidatos à matéria escura: partículas massivas fracamente interagentes (WIMPs).
“Embora sempre esperemos descobrir uma nova partícula, é importante para a física de partículas que possamos estabelecer limites sobre o que a matéria escura pode realmente ser”, disse o físico experimental da UC Santa Barbara, Hugh Lippincott. Os cientistas suspeitam da existência da matéria escura há décadas, mas ela continua a ser uma substância misteriosa — que, no entanto, desempenha um papel fundamental na estrutura do universo.
O LZ busca por matéria escura de uma caverna a quase um milha de profundidade na Sanford Underground Research Facility (SURF) em Dakota do Sul. Os novos resultados do experimento exploram interações de matéria escura mais fracas do que as já investigadas 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 execução do LZ. O experimento planeja coletar 1.000 dias de dados antes de encerrar em 2028.
A parte interna do detector LZ consiste em dois tanques de titânio aninhados, preenchidos com dez toneladas de xenônio líquido puro transparente, que é tão denso que cria um ambiente altamente isolado, livre do “ruído” do mundo exterior e perfeito para capturar os sinais mais fracos que poderiam ser indicativos de um WIMP. A esperança é que um WIMP colida com um núcleo de xenônio, causando seu movimento, semelhante a um impacto de uma bola de bilhar em um jogo de sinuca. Coletando a luz e os elétrons emitidos durante as interações, o LZ captura potenciais sinais de WIMPs ao lado de outros dados. Esse núcleo de xenônio líquido é cercado por um Detector Externo (OD) muito maior — tanques de acrílico preenchidos com um scintilador líquido carregado com gadolínio.
A sensibilidade do LZ vem das inúmeras maneiras que o detector pode reduzir os ruídos de fundo, os sinais falsos que podem imitar ou ocultar uma interação de matéria escura. Profundamente subterrâneo, o detector é protegido de raios cósmicos que vêm do espaço. Para reduzir a radiação natural de objetos do dia a dia, o LZ foi construído a partir de milhares de peças ultralimpa e de baixa radiação. O detector é construído como uma cebola, com cada camada bloqueando radiação externa ou rastreando interações de partículas para descartar imitações de matéria escura. E, novas técnicas de análise sofisticadas ajudam a descartar interações de fundo.
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 consiste nos membros do corpo docente Lippincott e Nelson, pesquisadores de pós-doutorado Chami Amarasinghe e TJ Whitis, e estudantes de graduação Jeonghwa Kim, Makayla Trask, Lindsey Weeldreyer e Jordan Thomas. Outros contribuintes para o resultado incluem o recente doutorando Jack Bargemann, agora pesquisador de pós-doutorado no Pacific Northwest National Laboratory, e o ex-pesquisador de graduação; Tarun Advaith Kumar, agora estudante de pós-graduação no Perimeter Institute. O coordenador de física para o resultado foi Scott Haselschwardt, que obteve seu Ph.D. na UCSB em 2018 e agora é professor assistente na Universidade de Michigan.
Os nêutrons, partículas subatômicas que existem em todos os átomos, exceto no hidrogênio, estão entre os mais comuns confusores dos sinais de WIMP. Nelson e a UCSB lideraram o projeto, a fabricação e a comissionamento do OD, o componente crítico que permite à colaboração descartar essas partículas e possibilitar uma descoberta real.
“A parte complicada sobre 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 qualquer resposta.” A presença de um pulso no OD pode vetar um candidato perfeito para uma detecção de WIMP.
O radônio também é um mimetizador de WIMP, para o qual os cientistas devem estar vigilantes. “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 execução foi observar todo o conjunto de decaimentos no detector para identificar o radônio e evitar confundí-los com WIMPs.”
Para possibilitar um resultado sólido e eliminar preconceitos inconscientes, a colaboração do LZ aplicou uma técnica chamada “salting”, que adiciona sinais falsos de WIMP durante a coleta de dados. Ao camuflar os dados reais até “desalting” no final, os pesquisadores podem evitar preconceitos inconscientes e impedir interpretações excessivas ou mudanças em sua análise.
“Estamos avançando em um regime onde as pessoas não olharam para a 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 viés surja. Se você fizer uma descoberta, você quer acertar.”
Com esses resultados, o campo de possibilidades sobre o que os WIMPs podem ser foi dramaticamente restringido, permitindo que todos os cientistas que buscam a matéria escura foquem melhor suas buscas e rejeitem modelos incorretos de como o universo opera. É um jogo longo, com mais coleta de dados no futuro, 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 passar mais tempo nessas buscas.”
“O Departamento de Física da UCSB tem uma longa história de conceber buscas por matéria escura, começando com um dos primeiros resultados publicados de uma busca em 1988,” disse Nelson. Membros anteriores da faculdade incluem David Caldwell (agora falecido) e Michael Witherell, agora diretor do Laboratório Lawrence Berkeley. David Hale (agora aposentado) inaugurou muitas das técnicas para suprimir sinais falsos de matéria escura que agora são empregadas em toda a área de buscas por matéria escura. “A UCSB, através do Departamento de Física, da Faculdade de Letras e Ciências, da administração e por meio de doações privadas, apoiou fortemente o esforço de matéria escura por décadas e fez contribuições substanciais para o LZ.”
O LZ é uma colaboração de aproximadamente 250 cientistas de 38 instituições nos Estados Unidos, Reino Unido, Portugal, Suíça, Coreia do Sul e Austrália; muito do trabalho de construção, operação e análise do experimento recorde 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 pensando em possíveis melhorias para aprimorar ainda mais o LZ, e planejando um detector de matéria escura de próxima geração chamado XLZD.
O LZ é apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Escritório de Física de Alta Energia e o Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética, uma instalação de usuários do Escritório de Ciência do DOE. O LZ também é apoiado pelo Conselho de Ciência e Tecnologia do Reino Unido; a Fundação Portuguesa para a Ciência e Tecnologia; a Fundação Nacional da Ciência Suíça e o Instituto de Ciência Básica da Coreia. Mais de 38 instituições de ensino superior e pesquisa avançada forneceram apoio ao LZ. A assistência da Sanford Underground Research Facility foi, em todos os momentos, crítica para os esforços da UCSB no LZ.
