Isso pode ser um divisor de águas.
Uma equipe de físicos fez o que pode ser a primeira detecção de um axion.
Eixos são partículas ultraleves hipotéticas não confirmadas, além do Modelo Padrão da física de partículas, que descreve o comportamento de partículas subatômicas. Os físicos teóricos propuseram a existência de axions pela primeira vez na década de 1970, a fim de resolver problemas matemáticos que governam a força forte, que une partículas chamadas quarks. Mas axions se tornaram uma explicação popular para a matéria escura, a substância misteriosa que compõe 85% da massa do universo, mas não emite luz.
Se confirmado, ainda não está certo se esses axônios de fato fixariam as assimetrias na força forte. E eles não explicariam a maior parte da massa que faltava no universo, disse Kai Martens, físico da Universidade de Tóquio que trabalhou no experimento. Esses axônios, que parecem estar saindo do sol, não agem como a “matéria escura e fria” que os físicos acreditam que preenche halos em torno das galáxias. E seriam partículas recém-criadas dentro do Sol, enquanto a maior parte da matéria escura e fria lá fora parece ter permanecido inalterada por bilhões de anos desde o início do universo.
E não é certo que axions tenham sido detectados. Apesar de dois anos de coleta de dados, a sugestão de um sinal ainda é fraca se comparada com o que a física exige para anunciar a descoberta de uma nova partícula. Com o tempo, à medida que mais dados são recebidos, disse Martens à Live Science, ainda é possível que a evidência de um sinal desapareça.
Ainda assim, com certeza parece que houve um sinal. Ele apareceu em um tanque subterrâneo escuro de 3,5 toneladas (3,2 toneladas) de xenônio líquido – o experimento XENON1T baseado no Laboratório Nacional Gran Sasso, na Itália. Pelo menos dois outros efeitos físicos poderiam explicar os dados do XENON1T. No entanto, os pesquisadores testaram várias teorias e descobriram que axions saindo do nosso sol eram a explicação mais provável para seus resultados.
Os físicos que não participaram do experimento não revisaram os dados até o anúncio às 10h da manhã de hoje (17 de junho). Os repórteres foram informados sobre a descoberta antes do anúncio, mas dados e documentos sobre a descoberta não foram disponibilizados.
A Live Science compartilhou o comunicado de imprensa da colaboração XENON com dois especialistas em axion.
“Se isso der certo, e * se * for uma grande questão, essa é a maior mudança no jogo da minha área desde a descoberta da aceleração cósmica”, disse Chanda Prescod-Weinstein, física da Universidade de New Hampshire, que não é parte da colaboração, disse a Live Science em um email.
(A descoberta da aceleração cósmica em 1998 mostrou que não apenas o universo está se expandindo, mas essa taxa de expansão está ficando mais rápida.)
A colaboração do XENON observa pequenos flashes de luz em tanques escuros de xenônio isolados – dos quais o XENON1T, operado entre 2016 e 2018, é o maior exemplo ainda.
Protegido no subsolo da maioria das fontes de radiação, apenas um punhado de partículas (incluindo matéria escura) pode entrar no tanque e colidir com os átomos no líquido interno, estimulando esses flashes. A maioria desses flashes é fácil de explicar, os resultados de interações com partículas que os físicos já conhecem. Apesar da blindagem subterrânea do laboratório, todos os tipos de partículas chegam até lá e são responsáveis pela maior parte do que os detectores XENON veem. Os pesquisadores do XENON procuram flashes “excessivos”, mais flashes do que você previa com base na física conhecida das partículas, que podem sugerir a existência de novas partículas.
É a primeira vez que um detector de XENON realmente detecta um excesso, um pico de atividade em uma faixa de baixa energia que corresponde ao que os físicos esperariam se axônios solares existissem.
Até agora, os resultados do XENON descartaram parcialmente outro tipo de candidato à matéria escura, as “partículas massivas que interagem fracamente” (WIMPS). Ele não detectou flashes suficientes nos níveis de energia que a maioria dos WIMPs produziria para fazer backup de sua existência, descartando efetivamente a maioria das variedades possíveis de WIMP. Mas os experimentos não revelaram nenhuma evidência de novas partículas antes.
“Embora o WIMP tenha sido o paradigma dominante da DM [matéria escura] por muitos anos, o axio existe há tanto tempo, e nos últimos anos houve um aumento nas experiências em busca de axions”, disse Tien-Tien Yu, físico da A Universidade do Oregon, que também não esteve envolvida no experimento XENON.
Portanto, se confirmada, a detecção de axion se encaixaria perfeitamente nos desenvolvimentos recentes na pesquisa de matéria escura (incluindo dados antigos do XENON) que fizeram os WIMPs, uma vez populares, parecerem um tiro no escuro.
No entanto, Yu disse à Live Science que não é convincente por si só.
“Seria emocionante se fosse verdade, mas eu sou cético, pois poderia haver alguma fonte de fundo anteriormente não considerada”, disse ela. (Também é difícil avaliar os dados sem vê-los, ela acrescentou.)
Por exemplo, alguma fonte radioativa pode ter disparado os sensores do XENON1T de maneira a imitar os padrões esperados de axiões solares interagindo com o xenônio líquido.
Yu apontou que houve alegações não confirmadas de descobertas de partículas de matéria escura antes. E os “axions solares” que o XENON pode ter encontrado não parecem representar a verdadeira matéria escura fria (que teria se originado no universo primitivo e seria “fria”), mas sim os axions quentes produzidos em nosso sol.
(Martens disse que isso era verdade, mas que axions solares – que ainda seriam partículas maciças nunca detectadas no mundo – ainda contariam como matéria escura em muitos aspectos. Ele reconheceu que eles não explicariam esse grande volume falta de massa.)
A colaboração do XENON propôs três explicações possíveis para o efeito, que descreveu como um “excesso” de eventos com baixas energias dentro dos tanques.
O melhor ajuste para o excesso que eles viram, disse o XENON, foi de fato axions solares. Eles expressaram uma confiança “3,5 sigma” nessa hipótese.
Martens disse que isso significa que há uma chance de 2 em 10.000 de que a radiação aleatória de fundo produza o sinal em oposição aos próprios axões solares. Normalmente, os físicos anunciam apenas uma “descoberta” de uma nova partícula se os resultados atingirem um significado de 5 sigma, significando uma chance de 1 em 3,5 milhões de que o sinal tenha sido produzido por flutuações aleatórias.
As outras possibilidades que eles consideraram eram menos convincentes, mas ainda valem a pena levar a sério.
Pode haver vestígios não detectados de trítio radioativo (uma versão do hidrogênio com dois nêutrons) no XENON1T, fazendo com que o líquido circundante brilhe. A equipe do XENON trabalhou duro para evitar esse tipo de ruído desde o início, disse Martens. Ainda assim, ele disse, os minúsculos níveis de trítio em questão aqui seriam impossíveis de filtrar perfeitamente. E com o XENON1T agora desmontado para criar um experimento futuro maior, é impossível voltar e verificar.
A hipótese do trítio ajusta os dados a um nível de confiança de 3,2 sigma. Joey Neilsen, físico da Universidade Villanova, na Pensilvânia, que não está envolvido no XENON, disse que isso corresponde a uma chance de 1 em 700 de que flutuações aleatórias produzissem o sinal.
Também é possível que os neutrinos – partículas conhecidas e fracas do sol que também fluem pela Terra – interajam mais fortemente com os campos magnéticos do que o esperado. Se isso for verdade, de acordo com uma declaração da colaboração XENON, os neutrinos poderiam explicar o sinal que estão vendo. Esta hipótese também vem com um nível de confiança de 3,2 sigma, eles escreveram.
Mas mesmo que os neutrinos expliquem o resultado do XENON, o Modelo Padrão da física de partículas teria que ser reorganizado para explicar o comportamento inesperado dos neutrinos, observou Yu.
Uma pista reveladora sugere se a hipótese dos eixos solares deve ser levada a sério: mudanças sazonais nos dados, disse Yu.
“Se o sinal fosse de axiões solares, seria de esperar uma modulação no sinal devido à posição relativa do sol em relação à Terra”, disse ela.
À medida que nosso planeta fica um pouco mais distante da estrela em que orbita, o fluxo do axio solar deve enfraquecer. À medida que a Terra se aproxima do sol, disse Yu, o sinal deve ficar mais forte.
Martens disse que nenhuma variação sazonal é visível no sinal XENON1T. O sinal é muito fraco e o experimento foi executado brevemente em apenas dois anos, para que o XENON1T o captasse.
Os físicos provavelmente tratarão os resultados do XENON1T como preliminares no futuro próximo. Um próximo experimento XENON maior, chamado XENONnt, ainda em construção na Itália, deve oferecer estatísticas mais claras uma vez concluídas, disse a equipe. Outras experiências em andamento ou em construção nos Estados Unidos e na China serão adicionadas aos dados existentes.
Martens disse que uma esperança é que a variação sazonal surja dos dados quando o detector mais sensível do XENONnt terminar sua execução de cinco anos. Isso empilharia fortemente o convés em favor dos axions solares, disse ele. E então todas as experiências internacionais podem combinar seu xenônio bruto (aproveitando uma parte substancial da oferta global) para construir um detector de 30 toneladas. Talvez seja possível estudar esse sinal em detalhes (se é real) ou detectar outras partículas escuras.
Portanto, esses resultados ainda são preliminares. Ainda assim, disse Prescod-Weinstein, houve muita agitação na comunidade de física antes do anúncio.
“Se isso der certo, isso é um grande negócio”, escreveu ela. “Estou hesitante em comentar sobre a força dos dados sem ter tempo para examinar os resultados e discutir com os colegas. É claro que eu prefiro um resultado de 5 sigma!”
Publicado em 18/06/2020 12h19
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