Equipes de físicos em todo o mundo têm tentado detectar a matéria escura, um tipo esquivo de matéria que não emite, absorve ou reflete luz. Devido à sua falta de interações com forças eletromagnéticas, esta matéria é muito difícil de observar diretamente, portanto, a maioria dos pesquisadores está procurando por sinais originados de suas interações com outras partículas ao seu redor.
O experimento PandaX é um esforço de pesquisa dedicado à busca de matéria escura usando dados coletados pelo detector de partículas e astrofísico de xenônio, localizado no China Jinping Underground Laboratory (CJPL) em Sichuan, na China. Em um artigo recente publicado na Physical Review Letters, os pesquisadores envolvidos neste experimento em larga escala publicaram os resultados de sua pesquisa mais recente por matéria escura clara (ou seja, partículas massivas de interação fraca com massas abaixo de 1 GeV).
“Atualmente, existem fortes restrições para candidatos de matéria escura de massa pesada derivados de resultados nulos em experimentos de detecção direta usando detectores de xenônio”, disseram Yue Meng, Qing Lin e Ning Zhou ao Tech Xplore, em nome da colaboração PandaX. “No entanto, as buscas tradicionais não são sensíveis à matéria escura de massa leve (inferior a GeV/c2) devido ao limite de energia de detecção. O uso de um sinal somente de ionização (somente S2) para procurar por matéria escura de massa leve pode reduzir o limite de energia de – 1 keV para 0,1 keV. Dados anteriores somente de S2 Análises em detectores de xenônio não conseguiram modelar o fundo, o que impediu buscas eficazes e sensíveis por matéria escura de massa leve.”
Em detectores de xenônio bifásicos, como o detector PandaX, a matéria escura pode se manifestar normalmente por meio de sinais de cintilação imediata (S1) e um sinal de ionização (S2). Para reduzir a energia limite na qual esse sinal poderia ser detectado, Meng, Lin, Zhou e seus colegas focaram no segundo desses sinais (S2), o chamado sinal de ionização, que ocorreria quando os elétrons fossem ionizados de átomos de xenônio e depois extraídos do xenônio líquido sob um campo elétrico.
“Focamos nos dados apenas de ionização, pois o sinal de ionização S2 é amplificado no alto campo elétrico na região do gás xenônio e relaxamos a exigência de S1”, explicaram os pesquisadores. “Durante o comissionamento do PandaX-4T, aproximadamente 90 dias de dados foram coletados. Primeiro, revelamos a região de controle para validar nossa estimativa de fundo e, em seguida, revelamos a região de sinal para o teste de sinal de matéria escura de massa leve. Por fim, nenhum excesso significativo foi observado e derivamos restrições para partículas de matéria escura clara.”
Embora este trabalho recente da colaboração PandaX não tenha produzido a observação de sinais sugerindo a presença de matéria escura clara, permitiu aos pesquisadores definir restrições mais rigorosas na detecção desse tipo de matéria escura, procurando sinais de ionização. Essas restrições delineiam uma faixa de massa de 40MeV/c2 a 10GeV/c2 para interação pontual de matéria escura-elétron, 100MeV/c2 a 10GeV/c2 para interação matéria escura-elétron por meio de um mediador de luz e 3,2 a 4GeV/c2 para matéria escura interação independente do spin do nucleon.
“Esta é a primeira vez que fundos somente de ionização foram compreendidos e modelados em modernas câmaras de projeção de tempo de xenônio líquido com limiar de energia de nível de poucos elétrons”, disseram Meng, Lin e Zhou. “Os resultados fornecem as restrições mais rigorosas até agora sobre interações potenciais para partículas de matéria escura em faixas de massa tão amplas quanto cerca de 40 MeV/c2 a 10 GeV/c2, dependendo do tipo de interação.
As novas restrições definidas pela colaboração PandaX podem informar novas buscas por matéria escura clara usando dados coletados por detectores de xenônio de fase dupla. Enquanto isso, o detector PandaX está reunindo mais dados com nível de fundo reduzido, o que pode ajudar a definir restrições cada vez mais rigorosas na matéria escura clara, contribuindo potencialmente para sua detecção futura.
“O experimento PandaX-4T continua coletando dados e melhorando a sensibilidade de sua pesquisa”, acrescentaram Meng, Lin e Zhou. “Com base em nossa compreensão aprimorada do plano de fundo somente S2, planejamos suprimi-lo ainda mais desenvolvendo um algoritmo de discriminação melhor com mais dados coletados e/ou otimizando a condição de execução para suprimir as origens de tais planos de fundo”.
Publicado em 25/07/2023 14h46
Artigo original:
Estudo original: