Por várias gerações agora, ficou claro para os astrônomos que há mais matéria que mantém o Universo unido do que as coisas normais – prótons, nêutrons e elétrons – podem explicar. Observações que vão desde os movimentos internos das galáxias individuais até a estrutura em larga escala do Universo exigem algum componente maciço e invisível do Universo para explicar que excede em muito o que a matéria normal poderia explicar. De todo um conjunto de observações astrofísicas, a matéria escura deve existir.
E, no entanto, apesar de todas as maneiras que a humanidade já inventou para tentar detectar qualquer partícula que possa ser responsável pela matéria escura, os experimentos de detecção direta ficaram vazios. No início de 2020, as restrições sobre o que a matéria escura não pode ser são incrivelmente restritivas. E, no entanto, um experimento controverso – DAMA – continua reivindicando um sinal consistente com a matéria escura. Após mais de uma década de controvérsia, o mistério pode finalmente ser resolvido.
De acordo com nossas melhores observações do Universo, a matéria escura é absolutamente necessária para explicar tudo o que vemos. Sem ela, seria impossível explicar dados do fundo cósmico de microondas, assim como as propriedades de agrupamento em larga escala, a combinação de efeitos gravitacionais com aglomerados de galáxias em colisão ou a abundância dos elementos de luz em combinação com tudo o mais que observamos. De uma perspectiva astrofísica indireta, não há maneira conhecida de reproduzir nosso Universo sem a matéria escura.
Quando você simula um universo rico em matéria escura, no entanto, descobre que praticamente toda galáxia deve ter um halo grande e difuso de matéria escura ao seu redor, e que a matéria escura deve estar fria em temperatura, o que significa que as partículas estão se movendo lentamente em comparação com a velocidade da luz por um longo tempo. À medida que a Terra se move ao redor do Sol e por toda a galáxia, ela deve atravessar essa matéria escura, gerando uma chance de interações na maioria dos modelos.
Uma ampla variedade de experimentos foi construída para procurar essas partículas, com diferentes experimentos focando em diferentes contendores de partículas. Pesquisas de cavidades de microondas restringiram axiões; observações astrofísicas restringiram os buracos negros; As emissões de raios X e raios gama restringiram os cenários de auto-aniquilação. Mas o candidato mais popular da matéria escura – a Partícula Maciça com Interação Fraca (WIMP) – tem as mais rígidas restrições de todas.
Apesar de uma enorme variedade de experimentos que relatam um resultado nulo com precisão muito alta, um experimento tem um histórico de 25 anos ao afirmar algo: DAMA. Todos os anos, eles veem um fundo mais alto na mesma época do ano e um menor deslocamento de fundo em seis meses: exatamente o tipo de sinal que você esperaria se um “vento” de matéria escura estivesse entrando no seu aparelho com velocidades diferentes ao longo do ano .
O sinal não está sincronizado com a órbita da Terra ao redor do Sol, nem está alinhado com a nossa inclinação axial. Em vez disso, o sinal sempre atinge o pico no início de junho, quando a Terra em órbita se alinha mais com o movimento do Sistema Solar através da galáxia e atinge seu mínimo em dezembro.
No entanto, sempre houve alguns problemas enormes com o DAMA. Por um lado, eles não sabem o que causa o sinal no detector. Parte disso deve ser ruído de fundo e, no entanto, nunca foi quantificado. Se você não entender seu ruído, não poderá extrair com segurança um sinal significativo.
Outra questão é que eles nunca tornaram públicos seus dados brutos ou pipeline de análise, o que significa que ninguém que não faz parte da colaboração com o DAMA pode verificar seu trabalho. Só podemos ver seus gráficos finalizados.
E, finalmente, grupos independentes que tentaram reproduzi-lo, incluindo o experimento COSINE-100 e o ANAIS-112 no ano passado, não conseguiram.
Várias idéias exóticas foram propostas para conciliar o que o DAMA observou com o que todo mundo está observando. Esses incluem:
– WIMPs não padrão que interagem preferencialmente com prótons em vez de nêutrons;
– Uma combinação de múons e neutrinos solares que afetam o aparelho DAMA;
– Um sinal de contaminação do argônio radioativo.
juntamente com outras possibilidades. Sem a transparência do DAMA, no entanto, não há uma maneira infalível de entender o que está acontecendo. No entanto, um novo artigo enviado ao arXiv – onde os físicos costumam publicar seus artigos antes de aparecerem em revistas especializadas – apresentou uma explicação convincente, mas simples para os resultados do DAMA: a maneira como analisam seus dados pode estar criando um sinal falso.
Quando você pensa em ruído em um experimento de qualquer tipo, provavelmente pensa em ruído aleatório que flutua sobre algum valor médio, mas permanece constante ao longo do tempo. Se você tivesse um sinal além desse ruído aleatório, que variasse periodicamente na escala de tempo de um ano, veria a mesma variação repetidas vezes a cada ano que passasse. Ou seja, é o que você veria se seu sinal fosse grande o suficiente para se destacar do ruído a cada ciclo.
Mas se o seu sinal for pequeno comparado ao seu ruído, talvez você não consiga extrair uma detecção significativa com apenas um ano de dados; portanto, você precisará combinar vários anos para ver qualquer coisa.
É isso que o DAMA diz que eles fazem: eles recebem vários anos de dados, removem o ruído médio de cada um, combinam os anos e extraem o sinal periódico. Por si só, isso não é necessariamente um problema.
Mas e se o barulho não for aleatório e constante? E se ela mudar lentamente ao longo do tempo, incluindo uma mudança tão simples quanto o ruído que aumenta ou diminui constantemente?
Nesse caso, o mesmo procedimento criará um sinal periódico apenas a partir do seu ruído puro.
Pense no porquê: para cada ano, você está subtraindo o valor médio do ruído. Se o ruído estiver aumentando (ou diminuindo) com o tempo, você obterá um valor abaixo da média (ou acima da média) no início de cada ano, enquanto obtém um valor acima da média (ou abaixo da média) no final de cada um dos seus anos. Você ainda receberá um sinal periódico, embora pareça uma onda dente de serra, em vez de uma onda oscilante (senoidal).
A colaboração do DAMA em todas as suas iterações, incluindo:
– DAMA / NaI,
– DAMA / LIBRA Fase I, e
– DAMA / LIBRA Fase 2,
todos subtraíram suas médias ponderadas anuais, de acordo com a própria colaboração do DAMA. De fato, se a colaboração estivesse observando um pico / vale em junho / dezembro em seu sinal, você esperaria que o DAMA iniciasse seus ciclos anuais com um deslocamento de três meses desse valor: no início de março ou no início de setembro. De acordo com o novo artigo, “Os ciclos do DAMA começam todos os anos aproximadamente no início de setembro”, o que significa que um fundo que cresce lentamente ao longo do tempo daria a você uma amplitude modulada que atinge o pico no início de junho de cada ano.
O que o novo artigo descobre é que realmente há evidências de que algo diferente de ruído constante está ocorrendo nos dados do DAMA, mas isso pode ser tão facilmente devido a uma quantidade constantemente crescente (ou decrescente) de ruído inerente ao próprio experimento, não devido a qualquer sinal de matéria escura. O teste principal é tentar ajustar uma onda dente de serra em oposição a uma onda senoidal aos dados, e os testes que eles executam mostram que os dois ajustes são praticamente idênticos, dentro das incertezas estatísticas.
Isso deve ser suficiente para lançar dúvidas substanciais sobre a validade dos dados publicados pelo DAMA. De acordo com o co-autor Nicola Rossi, “Até onde sabemos, o DAMA nunca tornou pública a dependência de tempo da taxa total dos eventos de cintilação com um único golpe. Até que isso seja feito, não podemos excluir o caso mais extremo: que o A taxa está aumentando lentamente e que todo o sinal DAMA pode ser um produto do procedimento possivelmente tendencioso “.
Além disso, os experimentos COSINE e ANAIS, ambos comparáveis ??ao DAMA, mas sem mostrar sinais de modulação (e com seus dados e pipeline de análise totalmente transparentes), exibem dependências de tempo significativas em seus respectivos ruídos.
Até a presente data, o DAMA mostrou que existe um sinal não constante com significância de 13 sigma. (5-sigma é normalmente o padrão-ouro para a física experimental.) Se eles disponibilizassem publicamente sua taxa geral de eventos, seria fácil verificar – mesmo apenas a olho – se a modulação é real ou se há um ruído que está mudando. Tempo. Até que eles divulguem seus dados, não podemos ter certeza de que eles não caíram nessa brecha.
Como Nicola Rossi apontou, “se o fundo está aumentando ou diminuindo, uma modulação artificial é introduzida na taxa residual e interfere com uma possível modulação real”. Se o sinal do DAMA é real e quão forte é se é real, não pode ser estabelecido sem a verificação independente dessa parte muito básica dos dados brutos. Se os dados mostrarem um crescimento anual do ruído de apenas alguns por cento, o sinal desaparecerá completamente.
Publicado em 23/02/2020 08h03
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