Novos resultados da colaboração LUX-ZEPLIN (LZ) envolvendo pesquisadores da UCL estabeleceram os melhores limites já registrados para partículas massivas de interação fraca (WIMPs), um dos principais candidatos para o que compõe a massa invisível do nosso universo.
Descobrir a natureza da matéria escura, a substância invisível que compõe a maior parte da massa do nosso universo, é um dos maiores quebra-cabeças da física.
O LZ, o detector de matéria escura mais sensível do mundo, não encontrou evidências de WIMPs acima de uma massa de 9 gigaeletronvolts/c2 (GeV/c2). (Para efeito de comparação, a massa de um próton é ligeiramente menor que 1 GeV/c2.) O novo resultado, baseado em 280 dias de dados, é quase cinco vezes melhor que o melhor resultado publicado anteriormente no mundo.
LZ caça matéria escura em uma caverna a quase 1,6 km de profundidade no Sanford Underground Research Facility, em Dakota do Sul.
Pesquisadores da UCL desempenham papéis importantes na colaboração, liderando o experimento e a física primária com o porta-voz internacional e o líder da análise de busca de WIMP. Os novos resultados do experimento exploram áreas nunca pesquisadas antes e limitam ainda mais o que os WIMPs poderiam ser.
O professor Chamkaur Ghag, porta-voz do LZ no Departamento de Física e Astronomia da UCL, disse: “Essas são novas restrições líderes mundiais por uma margem considerável na matéria escura e nos WIMPs.
“Se os WIMPs estivessem dentro da região que procuramos, teríamos sido capazes de dizer algo sobre eles de forma robusta. Sabemos que temos a sensibilidade e as ferramentas para ver se eles estão lá enquanto procuramos energias mais baixas e acumulamos a maior parte da vida útil deste experimento.”
Os novos resultados foram apresentados em duas conferências de física em 26 de agosto: TeV Particle Astrophysics 2024 em Chicago, Illinois, e LIDINE 2024 em São Paulo, Brasil. Um artigo será publicado nas próximas semanas.
Os resultados analisam 280 dias de dados: um novo conjunto de 220 dias (coletados entre março de 2023 e abril de 2024) combinados com 60 dias anteriores da primeira execução do LZ. O experimento planeja coletar 1.000 dias de dados antes de terminar em 2028.
O professor Scott Kravitz, vice-coordenador de física do LZ na Universidade do Texas em Austin, disse: “Se você pensar na busca pela matéria escura como se fosse uma busca por um tesouro enterrado, nós cavamos quase cinco vezes mais fundo do que qualquer outra pessoa no passado.
“Isso é algo que você não faz com um milhão de pás. Você faz isso inventando uma nova ferramenta.”
A sensibilidade do LZ vem das inúmeras maneiras pelas quais o detector pode reduzir fundos, os sinais falsos que podem personificar ou esconder uma interação de matéria escura. No subsolo profundo, o detector é protegido de raios cósmicos vindos do espaço.
Para reduzir a radiação natural das milhares de peças do detector do LZ, o grupo da UCL coliderou a meticulosa campanha de quase uma década para selecionar materiais para construir o LZ, implantando instalações de radioensaio de ponta na UCL e no Laboratório Subterrâneo de Boulby do Reino Unido para atingir uma radioatividade sem precedentes.
O detector LZ é construído como uma cebola, com cada camada bloqueando a radiação externa ou rastreando interações de partículas para descartar imitações da matéria escura.
A busca WIMP, liderada pela Dra. Amy Cottle (Física e Astronomia da UCL), utiliza técnicas de análise sofisticadas para identificar potenciais eventos candidatos à matéria escura em meio a quaisquer origens residuais, incluindo inovações para identificar o culpado mais comum: o radônio.
O Dr. Cottle disse: “Esta é uma análise complexa, que envolve centenas de cientistas ao longo de vários anos para concluir milhares de tarefas detalhadas.
“O esforço da UCL foi essencial para este trabalho, liderando áreas-chave da análise e impulsionando a inovação para mitigar antecedentes e desenvolver novas e poderosas ferramentas de inferência estatística.”
Este resultado também é a primeira vez que a LZ aplicou “salting” – uma técnica que adiciona sinais WIMP falsos durante a coleta de dados. Ao camuflar os dados reais até “unsalting” no final, os pesquisadores podem evitar vieses inconscientes e evitar interpretar ou alterar excessivamente suas análises.
O Dr. Scott Haselschwardt, coordenador de física do LZ na Universidade de Michigan, disse: “Estamos expandindo os limites para um regime em que as pessoas não procuravam por matéria escura antes.
“Há uma tendência humana de querer ver padrões nos dados, então é muito importante que, quando você entra nesse novo regime, nenhum preconceito se instale. Se você faz uma descoberta, você quer acertar.”
A matéria escura, assim chamada porque não emite, reflete ou absorve luz, é estimada em 85% da massa do universo, mas nunca foi detectada diretamente, embora tenha deixado suas impressões digitais em múltiplas observações astronômicas. Não existiríamos sem essa parte misteriosa, mas fundamental, do universo; a massa da matéria escura contribui para a atração gravitacional que ajuda as galáxias a se formarem e permanecerem juntas.
O LZ usa 10 toneladas de xenônio líquido para fornecer um material denso e transparente para partículas de matéria escura potencialmente colidirem. A esperança é que um WIMP bata em um núcleo de xenônio, fazendo com que ele se mova, muito parecido com uma tacada de uma bola branca em um jogo de sinuca. Ao coletar a luz e os elétrons emitidos durante as interações, o LZ captura potenciais sinais de WIMP junto com outros dados.
Os alunos de doutorado da UCL Emily Perry (agora Chamberlain Fellow no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley), Isabelle Darlington, Simran Dave e o pesquisador de pós-doutorado Dr. Aiham Al Musalhi foram essenciais na análise de dados para os novos resultados – desenvolvendo rotinas de seleção de eventos, identificando e modelando fundos no detector com simulações de Monte Carlo e, com colegas do Reino Unido, implementando a identificação do radônio para esta pesquisa.
Os pesquisadores da UCL, Dr. Robert James (agora na Universidade de Melbourne) e Dr. Joe McLaughlin, lideraram a inferência estatística dos dados para esta análise, implementando ferramentas totalmente novas e revolucionárias que o Dr. James desenvolveu na UCL com colegas do Reino Unido.
O candidato a doutorado da UCL, Jacopo Siniscalco, foi um dos principais desenvolvedores da estrutura estatística, ao mesmo tempo em que auxiliou no desenvolvimento do principal pipeline de dados para o experimento, desde o detector subterrâneo até o processamento de dados computacionalmente intensivo e preparação para analistas nos dois data centers da LZ, um nos EUA e outro no Reino Unido.
O professor David Waters, chefe de física de altas energias na UCL, disse: “Entender o quebra-cabeça da matéria escura é um dos desafios mais urgentes da física de partículas hoje. Além do trabalho pioneiro de Cham e Amy, temos equipes de pessoas na UCL buscando a produção direta de partículas de matéria escura no Large Hadron Collider do CERN, mapeando a matéria escura a partir de pesquisas cosmológicas e explorando os fundamentos teóricos da evidência gravitacional da matéria escura.
“É um período incrivelmente emocionante nessa jornada, com a UCL desempenhando um papel de destaque.”
O Dr. Cottle disse: “Demonstramos o quão fortes somos como uma máquina de busca de WIMP e vamos continuar trabalhando e melhorando ainda mais, mas há muitas outras coisas que podemos fazer com este detector.
“O próximo estágio é usar esses dados para observar outros processos físicos interessantes e raros, como decaimentos raros de átomos de xenônio, decaimento beta duplo sem neutrinos, neutrinos de boro-8 do sol e outras físicas além do modelo padrão. E isso além de sondar alguns dos modelos de matéria escura mais interessantes e anteriormente inacessíveis dos últimos 20 anos.”
O LZ é uma colaboração de aproximadamente 250 cientistas de 38 instituições, liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA, nos Estados Unidos, Reino Unido, Portugal, Suíça, Coreia do Sul e Austrália; grande parte do trabalho de construção, operação e análise do experimento recordista é feito por pesquisadores em início de carreira. A colaboração já está ansiosa para analisar o próximo conjunto de dados e usar novos truques de análise para procurar por matéria escura de massa ainda menor. Os cientistas também estão pensando em possíveis atualizações para melhorar 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 Altas Energias e o Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética, uma instalação de usuário do Escritório de Ciência do Doe. O LZ também é apoiado pelo Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia do Reino Unido; a Fundação Portuguesa para Ciência e Tecnologia; a Fundação Nacional de Ciência da Suíça e o Instituto de Ciência Básica, Coreia. Mais de 38 instituições de ensino superior e pesquisa avançada forneceram suporte ao LZ.
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