Mistério da matéria escura reacende com evento inexplicado em detector

A comunidade científica global está em polvorosa após o anúncio de um evento intrigante pelo experimento LUX-ZEPLIN (LZ) na conferência TeVPA no Japão, reacendendo as esperanças na busca pela matéria escura. Um misterioso flash de luz, registrado a quase dois quilômetros de profundidade, levanta questões sobre a natureza do universo invisível.

O misterioso evento detectado

Em 16 de junho de 2023, a quase dois quilômetros de profundidade nas Black Hills de Dakota do Sul, um flash de luz repentino foi capturado. O evento ocorreu dentro de um tanque selado de líquido extremamente frio, parte central do experimento LUX-ZEPLIN (LZ), projetado para caçar a matéria escura. Este flash também enviou uma carga elétrica através de fios finos submersos no líquido.

Cientistas da colaboração LZ, que inclui 250 cientistas e engenheiros de 39 instituições, observaram uma colisão violenta entre uma partícula desconhecida e o núcleo de um dos átomos do detector. O evento se destaca por não ter quase nenhuma semelhança com as “origens” — fontes mundanas de flashes que imitam a matéria escura — que a equipe tem combatido. Embora intrigante, a colisão também está fora de sincronia com o tipo de sinal de matéria escura que os pesquisadores esperavam, sendo um mistério total.

O que é a matéria escura?

Por quase um século, a matéria escura tem sido um dos maiores enigmas da ciência. Essa substância invisível compõe aproximadamente 85% da massa do universo, mas nunca foi detectada diretamente. Ela é onipresente e abundante, exercendo peso gravitacional, mas não emite luz, tornando-a impossível de ser rastreada por telescópios.

O universo, como o conhecemos, parece quase impossível de ser explicado sem a matéria escura. As coisas que nossos telescópios conseguem rastrear giram muito rápido e formam aglomerados densos demais para uma explicação fácil. A explicação mais simples é que existe cinco vezes mais matéria invisível e inerte do que a matéria que podemos ver.

A busca por WIMPs

Detectores como o LZ operam com base na hipótese de que a matéria escura é composta por partículas massivas de interação fraca (WIMPs). Essas são partículas hipotéticas que, na maioria das vezes, atravessam a matéria comum como fantasmas. No entanto, muito raramente, elas deveriam interagir com ela, colidindo aleatoriamente com um átomo. O LZ e seus competidores buscam empacotar o máximo de átomos possível nos locais mais silenciosos que conseguem encontrar para capturar essas colisões.

O detector LZ utiliza 10 toneladas de xenônio líquido ultrapuro, operando a quase dois quilômetros abaixo da superfície na Sanford Underground Research Facility (SURF), em Dakota do Sul. A tecnologia é incrivelmente sensível, e mesmo um único evento inexplicado pode ter grande significado estatístico.

Um resultado intrigante, mas não uma descoberta

Apesar da empolgação, a colaboração LZ aconselha cautela. As chances de o flash ser uma anomalia estatística são de aproximadamente 0,5%, o que é considerado alto em experimentos de física de partículas para declarar uma descoberta. Para ser considerado uma descoberta, o limiar estatístico é de 0,00003% ou o nível de “5-sigma”, e esta nova análise atingiu 2.6 sigma.

Se o evento anômalo foi causado pela matéria escura, a WIMP que o gerou teria uma massa de pelo menos 200 GeV/c², ou mais de 200 vezes a massa de um próton. Também sugeriria um tipo específico de interação entre WIMPs e matéria comum que vai além do modelo mais simples. A colisão de junho de 2023 atende à maioria das expectativas para WIMPs, exceto por ser “explosiva” demais. Teorias padrão sugerem que dezenas ou centenas de eventos mais suaves deveriam ter sido vistos antes, o que não ocorreu. “Não devemos nos sentir à vontade para fazer afirmações específicas sobre a matéria escura ou sobre a nova física com base em um único evento”, disse Knut Morå, físico da Universidade de Zurique e membro da colaboração LZ.

Próximos passos na investigação

Mais respostas devem surgir em um futuro próximo, com a análise de um conjunto maior de dados que já foi devidamente “cego” para evitar vieses. “Isso foi 200 dias de dados. Na verdade, temos mais de 700 dias cegos”, afirmou Richard Gaitskell, professor da Brown University e co-porta-voz do LZ.

Esses dados adicionais revelarão se este evento único é uma anomalia ou se há mais como ele. Caso se confirmem mais eventos, outros experimentos concorrentes, como PandaX-4T e XENONnT, ajudarão a determinar se o LZ realmente viu WIMPs ou algum “background” ainda desconhecido. Este momento é visto como uma “última janela de oportunidade” para encontrar WIMPs, segundo Juan Collar, físico da Universidade de Chicago.

Com informações de Scientific American, Phys.org.