Os físicos previram a existência de matéria escura, um material que não absorve, emite ou reflete luz, há décadas. Embora agora haja evidências significativas sugerindo a existência de matéria escura no universo, pois nunca foi detectada antes que sua composição permanecesse desconhecida.
Nos últimos anos, pesquisadores em todo o mundo fizeram diferentes hipóteses sobre a composição desse material indescritível e tentaram testá-las experimentalmente. Muitos sugeriram que poderia ser composto de tipos novos e não observados de partículas elementares, como áxions e partículas massivas fracamente interativas (WIMPs).
Algumas semanas atrás, duas grandes colaborações de pesquisa, o PandaX-4T e o ADMX Collaborations, publicaram os resultados de duas novas pesquisas de matéria escura com base em hipóteses diferentes. Em seu estudo, apresentado na Physical Review Letters, a Colaboração PandaX-4T tentou procurar sinais de uma nova partícula elementar em dados coletados usando uma câmara de projeção de tempo no Laboratório Subterrâneo de Jinping da China (CJPL), o laboratório subterrâneo mais profundo do mundo.
“Um dos candidatos a partículas mais promissores para a matéria escura é o chamado WIMP, que explica naturalmente a densidade de relíquia observada da matéria escura hoje”, disse Qing Lin ao Phys.org, em nome de toda a Colaboração PandaX-4T. “WIMPs podem ter interações muito fracas com a matéria, permitindo que sejam pesquisadas em experimentos de laboratório”.
O objetivo principal do trabalho recente da Colaboração PandaX-4T foi pesquisar a deposição de energia resultante de uma interação direta entre partículas WIMP e núcleos alvo. Para fazer isso, eles usaram um detector localizado no subsolo, caracterizado por um limiar de energia muito baixo (keV) e baixo fundo radioativo.
“A técnica empregada pelo nosso detector é a chamada câmara de projeção de tempo de xenônio de fase dupla (TPC), que coleta sinais de luz e carga de uma deposição de energia”, explicou Lin. “Os dados foram coletados na CJPL de novembro de 2020 a abril de 2021.”
O detector de matéria escura PandaX-4T é um dos maiores do mundo. O detector foi construído do zero nas instalações CJPL-II recém-expandidas, em um curto período de tempo a partir de 2018.
“Tivemos um comissionamento muito bem-sucedido e produzimos o primeiro conjunto de dados científicos”, disse Lin. “Em nosso artigo, relatamos uma busca pelo WIMP e a melhor restrição para ele até agora. Isso indica que a interação do WIMP com o nucleon pode ser mais fraca do que as restrições fornecidas por experimentos anteriores.”
Na mesma época em que a Colaboração PandaX-4T publicou seus resultados, uma grande equipe de pesquisa chamada Colaboração ADMX estava delineando os resultados de uma pesquisa diferente por matéria escura. Em seu estudo, também apresentado na Physical Review Letters, a Colaboração ADMX procurou especificamente por áxions, outro candidato promissor para a matéria escura, usando um detector baseado em haloscópio.
“Os áxions foram propostos pela primeira vez para resolver o problema do PC forte (Peccei/Quinn/Weinberg/Wilczek)”, disse Tatsumi Nitta, um dos membros da Colaboração ADMX, ao Phys.org. “ADMX é baseado na ideia de um haloscópio axion, como proposto por Pierre Sikivie não muito tempo depois que os axions foram sugeridos como também um candidato à matéria escura.”
A Colaboração ADMX foi fundada em 1993, mas publicou seus primeiros resultados cinco anos depois. Essas descobertas iniciais, que estavam entre as previsões mais promissoras da existência de áxions, permitiram que eles estabelecessem restrições ao chamado modelo KSVZ. Em última análise, no entanto, a equipe esperava testar as restrições para o modelo DFSZ, que requer 10 vezes menos energia do que o modelo KSVZ.
“Em 2018, finalmente chegamos ao modelo DFSZ instalando um amplificador quântico em torno de 650 MHz”, explicou Nitta. “Axions podem estar em qualquer lugar entre sub-GHz e THz, então a próxima coisa a fazer é obviamente escanear em frequências mais altas. -1.020 MHz faixa de frequência.”
Previsões teóricas sugerem que os axions são convertidos em um forte campo magnético por ondas eletromagnéticas. Espera-se que a potência dessas ondas seja muito baixa, em torno do nível de yocto (10-24) Watt. Isso é aproximadamente 10-12 menos energia do que um rádio de carro pode captar.
Para captar esse sinal, a colaboração AMDX usa um ímã supercondutor de 7,5 T. Seu detector altamente sensível é baseado em amplificadores quânticos, como o Josephson Parametric Amplifier, uma classe de tecnologias amplamente utilizadas no campo da computação quântica.
“A frequência da onda eletromagnética corresponde à massa do áxion, que é de cerca de 1 GHz para nossos áxions-alvo atuais”, disse Nitta. “Isso é entre as frequências de rádio FM e Wifi. O sinal é um pico de frequência fixa dos axions, acima de um fundo de ruído branco da radiação do corpo negro (como por que o Sol é brilhante. No nosso caso, a temperatura é tão baixa, tão pequena potência é esperada).”
Como parte de seu estudo recente, Nitta e seus colegas analisaram mais de 200.000 espectros, procurando por um pequeno sinal de pico de frequência. No entanto, eles foram incapazes de detectar quaisquer áxions dentro da faixa de frequência específica que examinaram.
“Nossas descobertas significam que, se os áxions tiverem o acoplamento KSVZ previsto, podemos excluir os áxions dessas massas de compor toda a matéria escura”, acrescentou Nitta. “Isso nos permite pesquisar em outro lugar, porque a teoria fornece uma gama de frequências que precisamos explorar. Demonstramos uma maneira eficiente de determinar um pico em um espectro seja axion ou não (é mencionado como os modos TM010 ou TM011).”
Depois de publicar seu artigo, a equipe implementou várias mudanças e atualizações em seus métodos e equipamentos experimentais. Em seu trabalho futuro, eles planejam tentar procurar novamente por áxions na mesma faixa de frequência, para excluir a possibilidade de áxions-modelo DFSZ. Posteriormente, eles também esperam explorar frequências mais altas, na esperança de finalmente detectar a matéria escura do axion.
Enquanto isso, a Colaboração PandaX-4T também está planejando pesquisas adicionais de matéria escura. Para melhorar suas chances de detectar interações entre partículas WIMP e núcleos alvo, eles primeiro trabalharão para melhorar a sensibilidade de seu detector.
“Espera-se que o PandaX-4T melhore a sensibilidade atual da pesquisa de matéria escura em uma ordem de magnitude e escaneie uma grande variedade de espaços de parâmetros inexplorados com uma exposição nominal de 6 toneladas por ano”, disse Lin. “Enquanto isso, como um experimento multifuncional, o PandaX-4T também visa estudar a física dos neutrinos, incluindo neutrinos majorana, neutrinos solares, neutrinos de supernova, etc.”
Publicado em 18/02/2022 07h27
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