Até agora, a matéria escura desafiou todos os tipos de detectores projetados para encontrá-lo. Devido à sua enorme pegada gravitacional no espaço, sabemos que a matéria escura deve constituir cerca de 85% da massa total do universo, mas ainda não sabemos do que é feita.
Várias grandes experiências que buscam matéria escura têm procurado sinais de partículas de matéria escura atingindo os núcleos atômicos através de um processo conhecido como espalhamento, que pode produzir pequenos flashes de luz e outros sinais nessas interações.
Agora, um novo estudo, liderado por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e da UC Berkeley, sugere novos caminhos para captar os sinais de partículas de matéria escura que têm sua energia absorvida por esses núcleos.
O processo de absorção pode dar a um átomo afetado um chute que faz com que ele ejete uma partícula mais leve e energizada, como um elétron, e também pode produzir outros tipos de sinais, dependendo da natureza da partícula da matéria escura.
O estudo se concentra principalmente nos casos em que um elétron ou neutrino é ejetado quando a partícula da matéria escura atinge o núcleo de um átomo.
Publicado em 4 de maio na Physical Review Letters, o estudo propõe que alguns experimentos existentes, incluindo aqueles que pesquisem partículas de matéria escura e processos relacionados a neutrinos – partículas detectáveis fantasmagóricas que podem passar pela maior parte da matéria e tenham a capacidade de mudar para diferentes formas – pode ser facilmente ampliado para também procurar esses tipos de sinais de matéria escura relacionados à absorção.
Além disso, os pesquisadores propõem que novas pesquisas em dados de detectores de partículas coletados anteriormente poderiam gerar esses sinais de matéria escura esquecidos.
“Nesse campo, tínhamos em mente uma certa idéia sobre candidatos bem motivados à matéria escura, como o WIMP”, ou partículas maciças que interagem fracamente, disse Jeff Dror, principal autor do estudo e pesquisador de pós-doutorado. no Grupo de Teoria do Laboratório de Berkeley e no Centro de Física Teórica de Berkeley da UC Berkeley.
A matéria escura empurra os limites das leis fundamentais conhecidas da física, encapsuladas no Modelo Padrão da física de partículas, e “O paradigma WIMP é muito fácil de incorporar ao Modelo Padrão, mas não o encontramos há muito tempo, “Dror observou.
Portanto, agora os físicos estão considerando outros lugares onde as partículas de matéria escura podem estar se escondendo e outras possibilidades de partículas, como os “neutrinos estéreis” teorizados que também podem ser trazidos para a família de partículas conhecidas como férmions – que incluem elétrons, prótons e neutrinos.
“É fácil, com pequenas modificações no paradigma WIMP, acomodar um tipo totalmente diferente de sinal”, disse Dror. “Você pode fazer uma enorme quantidade de progresso com muito pouco custo se recuar um pouco na maneira como pensamos sobre a matéria escura”.
Robert McGehee, um estudante de pós-graduação da UC Berkeley, e Gilly Elor da Universidade de Washington foram co-autores do estudo.
Os pesquisadores observam que a gama de novos sinais em que estão focando abre um “oceano” de possibilidades de partículas de matéria escura: ou seja, férmions ainda não descobertos, com massas mais leves do que a faixa típica considerada para os WIMPs. Eles poderiam ser primos próximos de neutrinos estéreis, por exemplo.
A equipe do estudo considerou os processos de absorção conhecidos como “corrente neutra”, nos quais os núcleos no material detector recuam ou são sacudidos pela colisão com partículas de matéria escura, produzindo assinaturas de energia distintas que podem ser captadas pelo detector; e também os chamados “corrente carregada”, que podem produzir múltiplos sinais quando uma partícula de matéria escura atinge um núcleo, causando um recuo e a ejeção de um elétron.
O processo de corrente de carga também pode envolver decaimento nuclear, no qual outras partículas são ejetadas de um núcleo como uma espécie de efeito dominó desencadeado pela absorção de matéria escura.
Procurar as assinaturas sugeridas pelo estudo dos processos de corrente neutra e corrente de carga pode abrir “ordens de magnitude de espaço inexplorado para parâmetros”, observam os pesquisadores. Eles se concentram nos sinais de energia no MeV, o que significa milhões de elétron-volts. Um volt de elétron é uma medida de energia que os físicos usam para descrever as massas de partículas. Enquanto isso, pesquisas WIMP típicas agora são sensíveis a interações de partículas com energias na faixa de keV, ou milhares de elétron-volts.
Para as várias interações entre partículas, os pesquisadores exploraram no estudo: “Você pode prever qual é o espectro de energia da partícula que sai ou o núcleo que está dando o pontapé inicial”, disse Dror. Nucleon refere-se ao próton carregado positivamente ou nêutron não carregado que reside no núcleo de um átomo e que pode absorver energia quando atingido por uma partícula de matéria escura. Esses sinais de absorção podem ser mais comuns do que os outros tipos de sinal que os detectores de matéria escura normalmente são projetados para encontrar, acrescentou ele – ainda não sabemos.
Experimentos com grandes volumes de material detector, com alta sensibilidade e “ruído” de fundo muito baixo ou interferência indesejada de outros tipos de sinais de partículas, são particularmente adequados para essa busca expandida por diferentes tipos de sinais de matéria escura, disse Dror.
LUX-ZEPLIN (LZ), por exemplo, um projeto ultrassensível de pesquisa de matéria escura liderado pelo Berkeley Lab em construção em uma antiga mina de Dakota do Sul, é um possível candidato, pois utilizará cerca de 10 toneladas métricas de xenônio líquido como meio detector e é projetado para ser fortemente protegido contra outros tipos de ruído de partículas.
A equipe de pesquisadores que já participou do estudo já trabalhou com a equipe que opera o Observatório de Xenônio Enriquecido (EXO), um experimento subterrâneo que busca um processo teorizado conhecido como decaimento beta duplo sem neutrinos usando xenônio líquido, para abrir sua busca a esses outros tipos de sinais de matéria escura.
E para tipos semelhantes de experimentos que estão em funcionamento, “os dados já estão basicamente lá. É apenas uma questão de analisá-los”, disse Dror.
Os pesquisadores nomeiam uma lista completa de experimentos candidatos em todo o mundo que podem ter dados relevantes e recursos de pesquisa que podem ser usados para encontrar seus sinais de destino, incluindo: CUORE, predecessor LZ LUX, PandaX-II, XENON1T, KamLAND-Zen, SuperKamiokande, CDMS-II, DarkSide-50 e Borexino entre eles.
Como próximo passo, a equipe de pesquisa espera trabalhar com colaborações de experimentos para analisar os dados existentes e descobrir se os parâmetros de pesquisa de experimentos ativos podem ser ajustados para procurar outros sinais.
“Acho que a comunidade está começando a se conscientizar disso”, disse Dror, acrescentando: “Uma das maiores perguntas no campo é a natureza da matéria escura. Não sabemos do que é feita, mas respondemos. essas perguntas podem estar ao nosso alcance em um futuro próximo. Para mim, é uma grande motivação continuar pressionando – há uma nova física por aí “.
Publicado em 06/05/2020 05h01
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