Observações cosmológicas e astrofísicas passadas sugerem que mais de um quarto da densidade de energia do universo é composta por um tipo de matéria não convencional conhecido como matéria escura. Acredita-se que esse tipo de matéria seja composto de partículas que não absorvem, emitem ou refletem luz e, portanto, não podem ser observadas diretamente usando métodos de detecção convencionais.
Pesquisadores em todo o mundo realizaram estudos voltados à detecção de matéria escura no universo, mas até agora nenhum deles teve sucesso. Mesmo o candidato preferido para a matéria escura, partículas massivas de fraca interação (WIMPs), ainda não foi observado experimentalmente.
A colaboração da China Dark Matter Experiment (CDEX), uma grande equipe de pesquisadores da Universidade de Tsinghua e de outras universidades da China, recentemente conduziu uma busca por um candidato possível à matéria escura, conhecido como fóton escuro. Embora a pesquisa não tenha sido bem-sucedida, seu artigo, publicado na Physical Review Letters, identifica novas restrições em um parâmetro de fóton escuro que poderia informar estudos futuros.
“O fóton escuro, uma partícula hipotética invisível, é um candidato atraente à matéria escura, que também pode ser um novo mediador de interação entre a matéria escura e a matéria normal”, disse Qian Yue, um dos pesquisadores que realizou o estudo. “O estudo e a detecção da matéria escura podem contribuir para a extensão do modelo padrão (SM) da física de partículas e expandir nosso conhecimento do universo”.
A colaboração com o CDEX realiza pesquisas há algum tempo sobre matéria escura clara, usando um detector de germânio de contato de 10 kg do tipo p instalado no laboratório subterrâneo da China Jinping (CJPL). A CJPL é a instalação de pesquisa subterrânea mais profunda do mundo, com uma sobrecarga de rochas de 2400 metros.
O detector usado pelos pesquisadores consiste em três cadeias de detectores de germânio de três elementos, cercadas por cobre com 20 cm de espessura, alta pureza e livre de oxigênio, que atua como um escudo passivo contra a radioatividade ambiental. Este instrumento é imerso diretamente em nitrogênio líquido para manter temperaturas relativamente baixas.
“Fótons escuros podem ser detectados experimentalmente através de sua absorção e conversão em elétrons nos detectores de germânio, em um processo análogo ao efeito fotoelétrico dos fótons SM”, explicou Yue. “Fontes intensas de fótons, por exemplo, o sol, fornecem uma excelente plataforma para procurar fótons escuros. A uma faixa de 100 eV, o baixo limiar de energia dos detectores de germânio de contato pontual é particularmente adequado para os estudos de fótons escuros.”
Em seu artigo recente, Yue e seus colegas analisaram dados coletados usando o detector na CJPL entre fevereiro de 2017 e agosto de 2018, procurando por fótons escuros solares e fótons escuros, dois candidatos à matéria escura. Embora os pesquisadores não pudessem observar sinais apontando para qualquer um desses candidatos, eles conseguiram estabelecer restrições no parâmetro de mistura cinética eficaz entre fótons escuros e fótons SM.
“Como um candidato atraente para a matéria escura e um novo mediador de interação possível entre a matéria escura e a matéria normal, o fóton escuro é atraente para outros esforços teóricos e experimentais”, disse Yue. “Nosso trabalho sondou um novo espaço de parâmetros e estabeleceu os limites mais rigorosos dos fótons escuros solares entre os experimentos de detecção direta”.
O recente estudo realizado por Yue e seus colegas fornece um novo feedback valioso que poderia informar futuras pesquisas sobre matéria escura, particularmente para fótons escuros. Além disso, seu trabalho reforça o atual interesse mundial em explorar outros candidatos à matéria escura, indo além dos WIMPs e seu canal de detecção de espalhamento elástico com o núcleo.
“Para avançar ainda mais a busca de matéria escura clara, reinstalaremos o conjunto de detectores CDEX-10 em um novo crio-tanque de nitrogênio líquido maior e com um volume de cerca de 1700 m3 no Hall-C do novo laboratório CJPL-II nos próximos dois anos, onde a proteção contra a radioatividade ambiental é fornecida pelo nitrogênio líquido de 6 metros de espessura “, disse Yue. “Detectores de germânio adicionais, de até 100 kg, estão planejados para serem implantados no tanque de criogenia com fundo reduzido e maior eficiência de detecção”.
Publicado em 15/04/2020 05h48
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