Físicos como eu não compreendem completamente o que constitui cerca de 83% da matéria do universo – algo que chamamos de “matéria escura”. Mas, com um tanque cheio de xenônio enterrado a quase um quilômetro sob a Dakota do Sul, talvez um dia possamos medir o que realmente é a matéria escura.
No modelo típico, a matéria escura é responsável pela maior parte da atração gravitacional no universo, fornecendo a cola que permite a formação de estruturas como galáxias, incluindo a nossa própria Via Láctea.
Enquanto o sistema solar orbita ao redor do centro da Via Láctea, a Terra atravessa um halo de matéria escura, que constitui a maior parte da matéria em nossa galáxia.
Sou um físico interessado em compreender a natureza da matéria escura. Uma suposição popular é que a matéria escura seja um novo tipo de partícula, a Partícula Massive e Fracamente Interativa, ou WIMP (do inglês Weakly Interacting Massive Particle).
“WIMP” captura bem a essência da partícula – ela tem massa, o que significa que interage gravitacionalmente, mas, fora isso, interage muito fracamente – ou raramente – com a matéria normal.
"Teoricamente, os WIMPs na Via Láctea passam através de nós na Terra o tempo todo, mas, devido à sua interação fraca, eles simplesmente não colidem com nada.
Procurando por WIMPs
Nos últimos 30 anos, os cientistas desenvolveram um programa experimental para tentar detectar as interações raras entre WIMPs e átomos regulares.
No entanto, na Terra, estamos constantemente cercados por níveis baixos e não perigosos de radioatividade provenientes de elementos traços – principalmente urânio e tório – no ambiente, bem como raios cósmicos vindos do espaço.
O objetivo ao procurar pela matéria escura é construir um detector o mais sensível possível, para que possa observar a matéria escura, e colocá-lo em um local o mais silencioso possível, para que o sinal da matéria escura possa ser discernido em meio à radioatividade de fundo.
Com resultados publicados em julho de 2023, a colaboração LUX-ZEPLIN, ou LZ, alcançou exatamente isso, construindo o maior detector de matéria escura até o momento e operando-o a 1.478 metros de profundidade na Sanford Underground Research Facility em Lead, Dakota do Sul.
No centro do LZ repousam 10 toneladas métricas (10.000 quilogramas) de xenônio líquido. Quando partículas atravessam o detector, elas podem colidir com átomos de xenônio, resultando em um flash de luz e na liberação de elétrons.
No LZ, dois enormes conjuntos de grades elétricas aplicam um campo elétrico através do volume do líquido, o que empurra esses elétrons liberados para a superfície do líquido.
Quando eles atravessam a superfície, são puxados para o espaço acima do líquido, que é preenchido com gás xenônio, e acelerados por outro campo elétrico para criar um segundo flash de luz.
Dois grandes conjuntos de sensores de luz coletam esses dois flashes de luz, e juntos permitem que os pesquisadores reconstruam a posição, energia e tipo de interação que ocorreu.
Reduzindo a radioatividade
Todos os materiais na Terra, incluindo aqueles usados na construção de detectores de WIMP, emitem alguma radiação que poderia potencialmente mascarar as interações da matéria escura.
Portanto, os cientistas constroem detectores de matéria escura usando os materiais mais “radiopuros” – ou seja, livres de contaminantes radioativos – que podem encontrar, tanto dentro quanto fora do detector.
Por exemplo, ao trabalhar com fundições de metais, o LZ conseguiu usar o titânio mais limpo da Terra para construir o cilindro central – ou criostato – que contém o xenônio líquido.
Usar esse titânio especial reduz a radioatividade no LZ, criando um espaço limpo para observar quaisquer interações de matéria escura. Além disso, o xenônio líquido é tão denso que atua como um escudo contra a radiação, e é fácil purificar o xenônio de contaminantes radioativos que possam entrar sorrateiramente.
No LZ, o detector central de xenônio fica dentro de outros dois detectores, chamados de “xenon skin” e “outer detector” (detector externo). Essas camadas de suporte capturam a radioatividade que entra ou sai da câmara central de xenônio.
Devido às interações da matéria escura serem tão raras, uma partícula de matéria escura só interagirá uma única vez em todo o aparato. Portanto, se observarmos um evento com múltiplas interações no xenônio ou no detector externo, podemos supor que não seja causado por um WIMP.
Todos esses objetos, incluindo o detector central, o criostato e o detector externo, estão localizados dentro de um grande tanque de água a quase um quilômetro de profundidade sob a terra.
O tanque de água protege os detectores da caverna, e o ambiente subterrâneo protege o tanque de água dos raios cósmicos, ou partículas carregadas que constantemente atingem a atmosfera da Terra.
A caçada continua
No resultado recém-publicado, utilizando 60 dias de dados, o LZ registrou cerca de cinco eventos por dia no detector. Isso é cerca de um trilhão de eventos a menos do que um detector de partículas típico na superfície registraria em um dia.
Ao analisar as características desses eventos, os pesquisadores podem afirmar com segurança que nenhuma interação até agora foi causada pela matéria escura. O resultado não é, infelizmente, uma descoberta de nova física – mas podemos estabelecer limites sobre o quão fracamente a matéria escura deve interagir, já que permanece invisível para o LZ.
Esses limites ajudam a indicar aos físicos o que a matéria escura não é – e o LZ faz isso melhor do que qualquer experimento no mundo. Enquanto isso, há esperança para o que vem a seguir na busca pela matéria escura.
O LZ está coletando mais dados agora, e esperamos obter mais de 15 vezes mais dados nos próximos anos. Uma interação de WIMP pode já estar nesse conjunto de dados, apenas esperando para ser revelada na próxima rodada de análises.
Hugh Lippincott, Professor Associado de Física, Universidade da Califórnia, Santa Barbara.
Este artigo foi republicado a partir do The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
