Cientistas da colaboração internacional XENON, um grupo experimental internacional, incluindo o Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU), Universidade de Tóquio; o Instituto de Pesquisa em Raios Cósmicos (ICRR), Universidade de Tóquio; o Instituto de Pesquisa Ambiental Espaço-Terra (ISEE), Universidade de Nagoya; o Instituto Kobayashi-Maskawa para a Origem das Partículas e o Universo (KMI), Universidade de Nagoya; e a Escola de Pós-Graduação em Ciências, Universidade de Kobe, anunciou hoje que os dados do XENON1T, o experimento de matéria escura mais sensível do mundo, mostram um surpreendente excesso de eventos.
Os cientistas não afirmam ter encontrado matéria escura. Em vez disso, eles dizem ter observado uma taxa inesperada de eventos, cuja fonte ainda não está totalmente esclarecida. A assinatura do excesso é semelhante ao que pode resultar de uma pequena quantidade residual de trítio (um átomo de hidrogênio com um próton e dois nêutrons), mas também pode ser um sinal de algo mais emocionante – como a existência de uma nova partícula conhecida como o axio solar ou a indicação de propriedades previamente desconhecidas dos neutrinos.
O XENON1T foi operado no subsolo do INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, na Itália, de 2016 a 2018. Ele foi projetado principalmente para detectar a matéria escura, que representa 85% da matéria no universo. Até agora, os cientistas observaram apenas evidências indiretas da matéria escura, e uma detecção definitiva e direta ainda está para ser feita. Os chamados WIMPs (Partículas Massivas de Interação Fraca) estão entre os candidatos teoricamente preferidos, e o XENON1T até agora estabeleceu o melhor limite para a probabilidade de interação em uma ampla variedade de massas WIMP. Além da matéria escura do WIMP, o XENON1T também era sensível a diferentes tipos de novas partículas e interações que poderiam explicar outras questões em aberto na física. No ano passado, usando o mesmo detector, esses cientistas publicaram na Nature a observação do mais raro decaimento nuclear já medido diretamente.
O detector XENON1T foi preenchido com 3,2 toneladas de xenônio liquefeito ultra-puro, das quais 2,0 t serviram como alvo para interações de partículas. Quando uma partícula cruza o alvo, pode gerar pequenos sinais de luz e elétrons livres a partir de um átomo de xenônio. A maioria dessas interações ocorre a partir de partículas conhecidas por existir. Os cientistas, portanto, estimaram cuidadosamente o número de eventos em segundo plano no XENON1T. Quando os dados do XENON1T foram comparados com fundos conhecidos, foi observado um excesso surpreendente de 53 eventos sobre os 232 eventos esperados.
Isso levanta a questão empolgante: de onde vem esse excesso?
Uma explicação pode ser uma nova fonte de fundo não considerada anteriormente, causada pela presença de pequenas quantidades de trítio no detector XENON1T. O trítio, um isótopo radioativo de hidrogênio, decai espontaneamente emitindo um elétron com uma energia semelhante à observada. Apenas alguns átomos de trítio para cada 1025 (10.000.000.000.000.000.000.000.000!) Átomos de xenônio seriam necessários para explicar o excesso. Atualmente, não há medidas independentes que possam confirmar ou refutar a presença de trítio nesse nível no detector, portanto, uma resposta definitiva a essa explicação ainda não é possível.
Mais excitante, outra explicação poderia ser a existência de uma nova partícula. De fato, o excesso observado possui um espectro de energia semelhante ao esperado a partir de axions produzidos no sol. Eixos são partículas hipotéticas que foram propostas para preservar uma simetria de reversão do tempo da força nuclear, e o Sol pode ser uma forte fonte delas. Embora esses axônios solares não sejam candidatos à matéria escura, sua detecção marcaria a primeira observação de uma classe de novas partículas bem motivada, mas nunca observada, com um grande impacto em nossa compreensão da física fundamental, mas também em fenômenos astrofísicos. Além disso, os axions produzidos no universo primitivo também poderiam ser a fonte da matéria escura.
Como alternativa, o excesso também pode ser devido a neutrinos, trilhões dos quais passam pelo seu corpo, sem impedimentos, a cada segundo. Uma explicação poderia ser que o momento magnético (uma propriedade de todas as partículas) dos neutrinos é maior que seu valor no Modelo Padrão de partículas elementares. Isso seria uma forte dica para algumas outras novas físicas necessárias para explicar isso.
Das três explicações consideradas pela colaboração do XENON, o excesso observado é mais consistente com um sinal de axio solar. Em termos estatísticos, a hipótese do axio solar tem um significado de 3,5 sigma, o que significa que há cerca de 2 / 10.000 de chance de que o excesso observado seja devido a uma flutuação aleatória e não a um sinal. Embora esse significado seja razoavelmente alto, não é grande o suficiente para concluir que existem axiões. A significância das hipóteses do momento magnético do trítio e do neutrino corresponde a 3,2 sigma, o que significa que elas também são consistentes com os dados.
O XENON1T agora está atualizando para sua próxima fase – XENONnT – com uma massa de xenônio ativa três vezes maior e um fundo que se espera seja menor que o do XENON1T. Com melhores dados do XENONnT, a colaboração do XENON está confiante de que em breve descobrirá se esse excesso é um mero acaso estatístico, um contaminante de segundo plano ou algo muito mais emocionante: uma nova partícula ou interação que vai além da física conhecida.
A colaboração do XENON compreende 163 cientistas de 28 instituições em 11 países. Os resultados desta pesquisa foram anunciados durante um seminário on-line para pesquisadores pela colaboração do XENON na quarta-feira, 17 de junho (16:00, horário de verão da Europa Central; 23:00, horário padrão do Japão).
* As atividades relacionadas aos experimentos XENON1T e XENONnT do Grupo Japão são apoiadas pela Sociedade Japonesa de Promoção da Ciência e doações em auxílio à pesquisa científica (KAKENHI) (18H03697, 18KK0082, 19H05802, 19H05805, 19H00675, 19H01920) .
Publicado em 18/06/2020 05h58
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