O detector mais sensível do mundo define novos limites para encontrar WIMPs – partículas massivas de interação fraca – um candidato líder para o que compõe a matéria escura, que compõe a massa invisível do nosso universo. A Dra. Theresa Fruth, da Universidade de Sydney, lidera a única equipe de pesquisa australiana trabalhando no projeto.
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 não resolvidos da física moderna. Novos resultados do detector de matéria escura mais sensível do mundo, LUX-ZEPLIN (LZ), reduziram as possibilidades para um dos principais candidatos à matéria escura: partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs.
O LZ, liderado pelo Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) do Departamento de Energia dos Estados Unidos, caça matéria escura em uma caverna a quase uma milha de profundidade no Sanford Underground Research Facility, em Dakota do Sul. Os novos resultados do experimento estabeleceram limites adicionais sobre o que os WIMPs poderiam ser.
A Dra. Theresa Fruth, da Escola de Física da Universidade de Sydney, foi fundamental no comissionamento do detector LZ em Dakota do Sul e é uma participante ativa na busca pela matéria escura no experimento LZ. Ela trabalhou no projeto por nove anos, incluindo durante seu tempo na Universidade de Oxford e no University College London.
“Este detector é o melhor recurso que temos em qualquer lugar do mundo em nossa busca pela matéria escura WIMP nos próximos anos. Este resultado mostra o quão sensível o detector é e o quão útil ele será para nos ajudar a resolver este dos mais intrigantes quebra-cabeças científicos”, disse ela.
Estima-se que a matéria escura, assim chamada porque não emite, reflete ou absorve luz, compõe 85% da massa do universo, mas nunca foi detectada diretamente, embora tenha deixado suas impressões digitais em diversas observações astronômicas.
O Dr. Fruth disse: “Não existiríamos sem essa parte misteriosa, porém fundamental, do universo; a massa da matéria escura contribui para a atração gravitacional que ajuda as galáxias a se formarem.”
No novo resultado, a equipe não encontrou evidências de WIMPs acima de 9 giga-elétron-volts/c2 (GeV/c2), o que equivale a 1,6 x 10-26 quilogramas, cerca de dez vezes a massa de um próton.
“Embora encontrar 'nada' não pareça um grande resultado, isso é extremamente importante para restringir onde poderíamos encontrar evidências diretas de matéria escura”, disse o Dr. Fruth.
“A matéria escura se encaixará perfeitamente no Modelo Padrão da física de partículas, ou sua descoberta exigirá que reescrevamos nossos modelos teóricos? Simplesmente não sabemos ainda.”
Os novos dados importantes foram apresentados hoje em conferências de física em Chicago, EUA, e São Paulo, Brasil. Um artigo será preparado para revisão por pares nas próximas semanas.
“Se você pensar na busca por matéria escura como se estivesse procurando por um tesouro enterrado, nós cavamos quase cinco vezes mais fundo do que qualquer outra pessoa no passado”, disse o professor Scott Kravitz, vice-coordenador de física do LZ e professor da Universidade do Texas em Austin. “Isso é algo que você não faz com um milhão de pás, você faz inventando uma nova ferramenta.”
O professor Chamkaur Ghag, porta-voz do LZ e professor do University College London, disse: “Essas são novas restrições líderes mundiais por uma margem considerável na matéria escura e WIMPs. Sabemos que temos a sensibilidade e as ferramentas para ver se elas estão lá enquanto buscamos energias mais baixas e acumulamos a maior parte da vida útil deste experimento.”
A sensibilidade do experimento a interações fracas ajuda os pesquisadores a rejeitar possíveis modelos de matéria escura WIMP que não se ajustam aos dados, deixando menos lugares para os WIMPs se esconderem.
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.
“Estamos empurrando a fronteira para um regime onde as pessoas não procuraram por matéria escura antes”, disse Scott Haselschwardt, o coordenador de física do LZ e um recente Chamberlain Fellow no Berkeley Lab, que agora é professor assistente na Universidade de Michigan. “Há uma tendência humana de querer ver padrões em dados, então é realmente importante quando você entra neste novo regime que nenhum viés entre. Se você faz uma descoberta, você quer acertar.”
O LZ usa 10 toneladas de xenônio líquido a 175 Kelvin (menos 98,15 graus) 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 emitida durante essas interações pelos 494 sensores de luz do detector, o LZ poderia capturar sinais WIMP com outros eventos raros.
O LZ é uma colaboração de cerca de 250 cientistas de 38 instituições nos Estados Unidos, Reino Unido, Portugal, Suíça, Coreia do Sul e Austrália.
A Dra. Fruth lidera o único grupo de pesquisa baseado na Austrália trabalhando no LZ. Ela também é colaboradora no detector de matéria escura australiano (SABRE South) que está sendo construído em uma mina de ouro ativa em Stawell, Victoria.
Declaração
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. A colaboração do LZ reconhece a assistência do Sanford Underground Research Facility.
A professora Celine Boehm recebe financiamento de US$ 35 milhões para que um centro nacional de pesquisa responda a uma das grandes questões em aberto da física.
Metade da matéria do universo está “desaparecida”, mas o candidato a doutorado Yuanming Wang desenvolveu um método engenhoso para ajudar a rastreá-la.
