Descobrir a natureza da matéria escura, a substância invisível que compõe a maior parte da massa do nosso universo, é um dos maiores quebra-cabeças da física. Novos resultados do detector de matéria escura mais sensível do mundo, LUX-ZEPLIN (LZ), colocaram novos limites nas propriedades potenciais de um dos principais candidatos à matéria escura: partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs.

O LZ, liderado pelo Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) do Departamento de Energia dos EUA, caça matéria escura em uma caverna a quase uma milha de profundidade no Sanford Underground Research Facility, em Dakota do Sul. Uma equipe do Reino Unido de cerca de 60 pesquisadores em 10 institutos, liderada pelo Imperial College London, contribui para o experimento.

Os novos resultados, anunciados em duas conferências hoje, exploram áreas nunca pesquisadas antes. Ao não encontrar WIMPs nessas energias, os resultados colocam limites adicionais sobre a massa que eles poderiam ter. A sensibilidade do experimento a interações fracas ajuda os pesquisadores a rejeitar potenciais modelos de matéria escura WIMP que não se encaixam nos dados, deixando significativamente menos lugares para os WIMPs se esconderem

O porta-voz internacional do LZ , Professor Chamkaur Ghag , da University College London, disse: “Essas são novas restrições líderes mundiais por uma margem considerável em matéria escura e WIMPs. Se os WIMPs estivessem dentro da região que pesquisamos, teríamos sido capazes de dizer algo sobre eles de forma robusta.”

O professor Henrique Araújo , do Departamento de Física do Imperial, coliderou o desenvolvimento do Detector de Xenônio no núcleo do LZ e coordenou as muitas contribuições feitas por institutos do Reino Unido ao experimento. Ele disse: "O LZ está se saindo ainda melhor do que esperávamos: colocamos muito cuidado ao longo de muitos anos no design e, em seguida, na construção de um ótimo experimento para que ele 'simplesmente funcionasse', e isso valeu a pena.

"Agora, nossas equipes de análise estão à altura da ocasião, desenvolvendo novas técnicas que são inovadoras e robustas: se a matéria escura estiver ao nosso alcance, nós a encontraremos."

A matéria escura, assim chamada porque não emite, reflete ou absorve luz, é estimada em 85% da massa do universo, mas nunca foi detectada diretamente, embora tenha deixado suas impressões digitais em diversas observações astronômicas.

O LZ usa 10 toneladas de xenônio líquido para fornecer um material denso e transparente para partículas de matéria escura potencialmente colidirem. A esperança é que um WIMP bata em um núcleo de xenônio, fazendo com que ele se mova, muito parecido com uma tacada de uma bola branca em um jogo de sinuca. Ao coletar a luz e os elétrons emitidos durante as interações, o LZ captura potenciais sinais de WIMP junto com outros dados.

Os novos resultados analisam 280 dias de dados: um novo conjunto de 220 dias (coletados entre março de 2023 e abril de 2024) combinados com 60 dias anteriores da primeira execução do LZ. O experimento planeja coletar 1.000 dias de dados antes de terminar em 2028.

A sensibilidade do LZ vem das inúmeras maneiras pelas quais o detector pode reduzir fundos, os sinais falsos que podem personificar ou esconder uma interação de matéria escura. No subsolo profundo, o detector é protegido de raios cósmicos vindos do espaço. Para reduzir a radiação natural de objetos cotidianos, o LZ foi construído a partir de milhares de peças ultralimpas e de baixa radiação.

O detector é construído como uma cebola, com cada camada bloqueando a radiação externa ou rastreando interações de partículas para descartar imitações de matéria escura. E novas técnicas sofisticadas de análise ajudam a descartar interações de fundo, particularmente aquelas do culpado mais comum: o radônio.

A equipe Imperial fez uma contribuição fundamental para essa análise por meio da demonstração de 'radon tagging' – por meio da qual átomos radioativos individuais na cadeia de decaimento do radônio podem ser rastreados por períodos maiores que uma hora, à medida que se movem pelo alvo de xenônio líquido de várias toneladas. Esses decaimentos podem, portanto, ser identificados como 'não matéria escura', mitigando um fundo fundamental.

Este resultado também é a primeira vez que a LZ aplicou 'salting' – uma técnica que adiciona sinais WIMP falsos durante a coleta de dados. Ao camuflar os dados reais até o 'unsalting' no final, os pesquisadores podem evitar vieses inconscientes e evitar interpretar ou alterar excessivamente suas análises.

O LZ é uma colaboração de aproximadamente 250 cientistas de 38 instituições nos EUA, Reino Unido, Portugal, Suíça, Coreia do Sul e Austrália; grande parte do trabalho de construção, operação e análise do experimento recorde é feito por pesquisadores em início de carreira.

A colaboração já está ansiosa para analisar o próximo conjunto de dados e usar novos truques de análise para procurar por matéria escura de massa ainda menor. Os cientistas também estão pensando em possíveis atualizações para melhorar ainda mais o LZ e planejando um detector de matéria escura de próxima geração chamado XLZD.

Com base em um comunicado de imprensa do Laboratório Nacional de Berkeley.