Ficamos um pouco mais longe de detectar a matéria escura

Dados de detector localizado na Coreia do Sul questionam descoberta anterior, de um outro grupo de pesquisa

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Experimento se baseia em modelo teórico que prevê pequena probabilidade de partícula de matéria escura interagir com a matéria que conseguimos ver – Foto: Cosmo0 via Wikimedia Commons / Domínio público

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A saga da busca pela matéria escura acaba de ganhar um novo capítulo, mas não nos coloca mais perto de encontrar essa matéria que não emite nem absorve luz. Em um artigo publicado nesta quarta-feira na revista Nature, cientistas envolvidos com a colaboração COSINE-100 mostram que os dados iniciais de seu detector destoam daqueles analisados pelos pesquisadores do experimento DAMA/LIBRA, os únicos que afirmam já ter detectado a matéria escura. Trata-se de um resultado que desafia as análises da outra equipe.

Os pesquisadores do COSINE-100 não encontraram partículas de matéria escura do tipo WIMP (partícula massiva de interação fraca, na sigla em inglês), mas o experimento permitiu recalcular a curva de probabilidade para encontrá-las. No artigo, o novo limite de exclusão proposto está em desacordo com os dados do experimento anterior. Isso equivale a dizer que, se a matéria escura realmente existe, para encontrá-la os físicos terão de recalibrar o olhar. Mais do que isso, os dados dos dois primeiros meses de operação do detector não confirmam as análises da equipe do DAMA/LIBRA.

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“O resultado é muito importante, mas é um passo somente. Isso não significa que foi descoberta a matéria escura. Significa que esse detector concorda (com outros grupos) que existe algum problema com o resultado do DAMA/LIBRA”, diz Nelson Carlin Filho, professor do Instituto de Física da USP e um dos cientistas envolvidos na colaboração COSINE-100. Há cerca de 15 anos a equipe do DAMA/LIBRA vem afirmando ter detectado um sinal de partículas do tipo WIMP. Além disso, eles teriam uma modulação anual na ocorrência de eventos envolvendo essas partículas – ou seja, em determinada época do ano, as ocorrências com as WIMPs seriam mais numerosas.

O problema é que ninguém jamais conseguiu reproduzir os resultados do DAMA/LIBRA. Para complicar, a equipe nunca divulgou os dados brutos do experimento, o que permitiria análises com olhar mais distanciado. Por outro lado, contava a favor dela o fato dos outros experimentos utilizarem diferentes técnicas de análise e terem detectores feitos com outros materiais.

A proposta do COSINE-100 é justamente tentar replicar os resultados do DAMA/LIBRA utilizando o mesmo material no detector – no caso, cristais de iodeto de sódio – e uma análise feita da maneira mais parecida possível. “É o primeiro detector composto do mesmo material que está publicando resultados e o resultado não está de acordo com o DAMA/LIBRA. Esse é o ponto-chave do trabalho”, explica Carlin.

Segundo o docente, que colaborou com o artigo na análise de dados e na otimização de técnicas de seleção de eventos, o próximo passo da pesquisa será tentar captar a modulação anual de eventos identificada pela equipe do DAMA/LIBRA. “Se o nosso resultado inicialmente exclui os (dados do) DAMA/LIBRA, então essa modulação que eles observam não deve ser devida à interação da matéria escura com o material do detector. Deve ser outra coisa”, diz o professor do IF.

Colisão com núcleo atômico

Os cientistas usam um modelo, chamado modelo de halo padrão, que permite prever que milhares dessas partículas passam pelo nosso sistema estelar por segundo. A probabilidade delas interagirem com a matéria que enxergamos é muito pequena. Mas, se o modelo estiver correto, eventualmente acontecerá de uma partícula interagir com o núcleo do detector de um experimento como o COSINE-100.

O artigo da Nature se apoia nos dados iniciais coletados em 59 dias de funcionamento do detector. Instalado no Laboratório Subterrâneo de Yangyang, na Coreia do Sul, ele está em operação ininterruptamente desde setembro de 2016. O experimento utiliza uma técnica direta de detecção de matéria escura e está a 700 metros de profundidade no subsolo para bloquear o máximo possível de radiação de fundo, vinda de outras fontes.

Para entender o que se prevê que ocorra no detector quando as WIMPs encontram os núcleos dos átomos que compõem o material, Carlin sugere imaginar a partícula tipo WIMP e o núcleo como duas bolinhas. Quando a primeira bolinha (a WIMP) bate na segunda, ela transfere uma quantidade de energia à outra, fazendo com que se movimente. “O núcleo do material, ao andar um pouquinho lá dentro, gera um sinal. Esse sinal que é coletado seria o sinal de matéria escura”, afirma o docente. “Só que ele está misturado com vários outro sinais, que são o que a gente chama de fundo. Aí que está o grande desafio, que é usar várias técnicas para tentar isolar esse sinal”, completa.

No caso do detector montado com iodeto de sódio, quando a partícula de matéria escura bate no núcleo do átomo de sódio ou de iodo, a movimentação do núcleo resulta também em uma interação do núcleo com os elétrons, gerando luz. A vantagem é que o sinal luminoso ganha características diferentes quando vem de uma colisão com WIMP, na comparação com a interação com outras partículas de fundo. Isso permite aos pesquisadores distinguirem de forma mais nítida se o sinal vem do encontro com a matéria escura ou não.

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Este gráfico liga a massa estimada da partícula tipo WIMP a uma medida relacionada com a probabilidade de interação entre a WIMP e os núcleos dos cristais de iodeto de sódio. Com estes dados, a equipe do COSINE-100 estimou uma nova linha de exclusão (a linha preta) para os experimentos. Segundo Carlin, as partículas de matéria escura poderiam ser encontradas em parâmetros abaixo desta linha. As curvas geradas com os dados do DAMA/LIBRA (em vermelho e azul) estão fora do limite de exclusão – Imagem: Cedida pelo pesquisador

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O COSINE-100 é coordenado por pesquisadores do Instituto para a Ciência Básica, da Coreia do Sul, e da Universidade Yale, nos Estados Unidos. Já o DAMA/LIBRA é liderado pela física Rita Bernabei, da Universidade de Roma Tor Vergata, na Itália.

Mais informações: (11) 3091-6820 ou e-mail carlin@if.usp.br

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