LZ pode ter detetado pela primeira vez matéria escura

Numa experiência instalada a grande profundidade subterrânea, um minúsculo clarão de luz poderá, ironicamente, assinalar a primeira deteção de matéria escura.

Esta substância misteriosa deverá superar a matéria comum numa proporção de 5 para 1, mas, apesar de décadas de procura, continua frustrantemente difícil de encontrar.

Agora, físicos comunicam um sinal invulgar na experiência LUX-ZEPLIN (LZ), com todas as características esperadas de um dos principais candidatos a matéria escura e difícil de justificar através da física conhecida.

Os resultados - ainda sem revisão por pares - foram apresentados esta semana numa conferência de astrofísica no Japão.

A equipa mantém a prudência e evita tirar conclusões prematuras: o evento ainda não atingiu o limiar estatístico que permite aos cientistas excluir eficazmente explicações alternativas.

“Estamos muito intrigados por observar este evento nos dados, na região em que esperamos que a matéria escura apareça e onde os fundos concorrentes são muito baixos”, afirma Rick Gaitskell, físico da Universidade Brown e porta-voz da LZ.

“Com apenas um evento, não queremos antecipar-nos. Não estamos a afirmar que vimos matéria escura. Mas vimos algo interessante que queremos partilhar com a comunidade científica para obter a sua contribuição.”

Porque é tão difícil detetar matéria escura

Já na década de 1930, os astrofísicos perceberam que aquilo que observamos no cosmos não corresponde inteiramente aos nossos modelos do Universo. Parece existir massa adicional que interage sobretudo com a matéria comum através da sua influência gravitacional.

Como não emite nem reflete luz, esta substância enigmática recebeu o nome de «matéria escura».

A sua forma exata continua desconhecida, pelo que vários tipos de experiências têm procurado potenciais candidatos diferentes, até agora sem sucesso.

A LZ é uma dessas experiências e foi ajustada especificamente para identificar sinais de um candidato a matéria escura que os físicos designam por partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs.

Como o nome indica, esta forma de matéria escura seria composta por partículas individuais de grande massa, que interagem apenas fracamente com a matéria normal, tornando-se difíceis de detetar.

Na maioria das ocasiões, as WIMPs deverão atravessar a matéria normal sem deixar vestígios. Porém, em situações extremamente raras, uma delas poderá colidir com um átomo de matéria comum, produzindo um fraco clarão de luz e eletrões.

Como a experiência LUX-ZEPLIN procura WIMPs

A LZ foi concebida para detetar estas interações evasivas. É composta por um enorme depósito de xénon líquido, coberto por uma fina camada de xénon gasoso. Se uma WIMP atravessar o sistema a grande velocidade e atingir um átomo, gera um clarão que os fotodetetores instalados no fundo do depósito conseguem captar.

Os eletrões produzidos pelo evento são conduzidos para cima e, ao chegarem ao xénon gasoso, originam um segundo clarão. O intervalo temporal e a intensidade destes dois sinais permitem aos cientistas determinar muitos dados sobre a partícula de origem.

Infelizmente, muitas outras partículas criam sinais semelhantes, e fazem-no com uma frequência muito superior à esperada para a matéria escura. Por isso, a LZ foi construída para reduzir este ruído de fundo.

A primeira barreira de proteção são os 1,5 quilómetros de rocha sob os quais a experiência está enterrada. Segue-se um depósito de água que envolve o reservatório de xénon e, por fim, um detetor de radiação capaz de identificar outros tipos de eventos.

Em conjunto, estas medidas reduzem ao mínimo as partículas indesejadas provenientes dos raios cósmicos ou da radioatividade de fundo.

Um sinal invulgar nos dados da LZ

Contudo, físicos que analisavam dados recolhidos ao longo dos últimos anos identificaram agora um sinal intrigante. Em 16 de junho de 2023, a LZ registou dois clarões de luz com energias exatamente compatíveis com uma WIMP a colidir com um núcleo atómico no depósito de xénon.

Depois de encontrarem o candidato, os investigadores passaram meses a examinar os dados para determinar se o evento poderia ser facilmente explicado por processos de fundo conhecidos.

A energia do evento era demasiado elevada para corresponder a neutrões ou neutrinos - e estes também teriam produzido dispersões de menor energia, que não foram observadas.

Caso tivesse sido provocado por um raio gama perdido, este teria de ter percorrido uma distância invulgarmente longa através do depósito, sofrido uma segunda dispersão sem gerar outro clarão, ou escapado à deteção pelos instrumentos exteriores concebidos para o intercetar. Todos estes cenários foram considerados improváveis.

Há igualmente a possibilidade de os dois clarões observados terem resultado de dois eventos independentes que, por acaso, ocorreram muito próximos no tempo. A análise dos dados concluiu também que essa hipótese tem uma probabilidade muito baixa.

Em vez disso, a explicação que melhor se ajusta aos dados é a de que o sinal foi causado por uma WIMP com massa superior a 200 gigaeletrão-volts.

“Eventos atípicos nos dados não são inesperados, mas normalmente revelam ser um tipo de fundo quando os analisamos mais profundamente”, afirma Aaron Manalaysay, físico do Berkeley Lab.

“Este é o primeiro exemplo, em qualquer experiência em que trabalhei, de um evento atípico que parece válido em todos os aspetos.

“Claro que continuamos a esforçar-nos por imaginar se poderá existir algum mecanismo raro de fundo que nos tenha escapado, mas é emocionante pensar que este pode ser o primeiro indício de uma observação de matéria escura.”

Antes de alguém abrir o champanhe, importa recordar que esta deteção ainda não alcançou o limiar de significância estatística de 5 sigma necessário para anunciar uma nova descoberta na física de partículas. Isso significaria haver aproximadamente 1 hipótese em 3,5 milhões de os efeitos de fundo produzirem aleatoriamente o resultado observado.

O novo resultado da LZ apresenta atualmente uma significância de 2,6 sigma, o que coloca a probabilidade de erro em 1 para 200. Serão necessários muito mais dados e mais deteções antes de podermos ter confiança de que encontrámos matéria escura.

Ainda assim, esta é uma das pistas mais aliciantes até agora de que poderemos estar a caminho de resolver um dos mais desconcertantes enigmas cosmológicos de sempre.

O artigo científico que descreve o evento ainda não foi revisto por pares, mas foi submetido à revista Physical Review Letters. Uma versão em pré-publicação está disponível no arXiv.

Este artigo foi verificado por Fiona MacDonald e editado por Fiona MacDonald. Embora tenhamos orgulho no nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, informe-nos, por favor.