Detector de matéria escura mais sensível do mundo foi melhorado

Instalada a cerca de 1.500 metros de profundidade, no Laboratório Subterrâneo Sanford (SURF), na região de Black Hills, no Dakota do Sul, Estados Unidos, a LUX (Large Underground Xenon) já era a experiência de matéria escura mais sensível do mundo. Agora, utilizando um conjunto de técnicas de calibração inovadoras, os cientistas de LUX conseguiram melhorar ainda mais a sensibilidade do detector.

Os investigadores de LUX estão à procura de WIMP (sigla inglesa para weakly interacting massive particles ou partículas massivas que interagem fracamente), que estão entre os principais candidatos para explicar a matéria escura. “É fundamental que continuemos a melhorar as capacidades do nosso detector na procura das esquivas partículas de matéria escura”, explica Rick Gaitskell, professor de física na Universidade de Brown e co-porta-voz da experiência LUX. “Melhorámos a sensibilidade de LUX por um factor de mais de 20 para partículas de matéria escura de baixa massa, aumentando significativamente a nossa capacidade de procurar WIMPs.”

Esta nova pesquisa é descrita num artigo científico submetido à revista Physical Review Letters e já acessível livremente no repositório digital ArXiv. Neste trabalho, a equipa faz uma reanálise dos dados recolhidos pelo detector LUX durante os seus primeiros três meses de operação, em 2013, e ajuda a excluir possíveis observações de matéria escura numa região de baixas massas, anunciadas por outras experiências no passado.

“Procurámos partículas de matéria escura nos dados adquiridos durante os primeiros três meses de operação da experiência, usando novas técnicas de calibração que nos ajudam a perceber melhor a resposta que os WIMPs provocariam no nosso detector”, afirma Alastair Currie, do Imperial College de Londres. “Estas calibrações permitiram-nos aprofundar a nossa compreensão da resposta do xenon a interacções com a matéria escura, bem como a interacções com outras partículas. Isto permite-nos procurar, com confiança acrescida, partículas que anteriormente não sabíamos serem detectáveis em LUX.”

A matéria escura é considerada a forma dominante de matéria no universo. Os cientistas estão confiantes da sua existência devido aos seus efeitos gravíticos, que podem ser observados na rotação das galáxias e na forma como a luz é curvada ao viajar pelo universo. No entanto, espera-se que os WIMPs só interajam muito raramente com a restante matéria, razão pela qual ainda não foram detetados diretamente.

O detetor LUX consiste em cerca de um terço de tonelada de xenon líquido rodeado de sensores de luz altamente sensíveis. Foi desenhado para identificar as muito raras ocasiões em que uma partícula de matéria escura colide com um átomo de xenon dentro do detector. No caso de uma interacção, o átomo de xenon recua e emite uma pequena quantidade de luz, que é detectada pelos sensores de LUX. A instalação do detector no laboratório de Sanford, debaixo de 1500 metros de rocha, ajuda a protegê-lo dos raios cósmicos e radiação ambiente que podem interferir com um sinal da matéria escura.

Até agora, o LUX não detectou um sinal de matéria escura, mas a sua extraordinária sensibilidade permitiu aos cientistas excluir grandes regiões de massa onde estas partículas poderiam existir. Estas novas calibrações permitiram aumentar ainda mais essa sensibilidade.

Uma das técnicas de calibração usou neutrões, que permitem simular a resposta do detector às partículas de matéria escura. Ao provocar colisões entre neutrões e átomos de xenon, os cientistas podem quantificar a resposta do detetor LUX aos recuos dos átomos de xenon.

“É como um jogo de bilhar gigante em que um neutrão é a bola branca e os átomos de xenon as restantes bolas”, ilustra Gaitskell. “Podemos seguir o neutrão para determinar os detalhes do recuo do átomo, e assim calibrar a resposta de LUX melhor do que alguma vez foi possível”, realça.

Sete portugueses na equipa

As experiências com neutrões ajudam a calibrar o detector para interacções com os núcleos de xenon. Mas os cientistas de LUX também calibraram a resposta do detector para pequenas deposições de energia feitas por electrões atómicos que sofreram interacções. Isso é feito injectando metano tritiado — um gás radioactivo — no detetor.

Outro gás radioactivo, krypton, foi também injectado no detector para ajudar os cientistas a distinguir os sinais gerados pela radioactividade ambiente dos de uma potencial interacção de matéria escura.

Estes melhoramentos na experiência LUX, aliados a simulações computacionais avançadas que tiraram partido dos centros computacionais NERSC (do Lawrence Berkeley National Laboratory) e CCV (da Universidade de Brown), permitiram aos cientistas testar diversos modelos de partículas de matéria escura, que podem agora ser excluídos da procura.

A colaboração LUX inclui 19 universidades e laboratórios dos Estados Unidos, Reino Unido e Portugal. A equipa portuguesa, do LIP-Coimbra e Universidade de Coimbra, é composta por sete pessoas, entre estudantes de doutoramento, pós-doutorados e investigadores.

Membro desta colaboração desde 2010, e já com uma vasta experiência neste tipo de detectores (através da anterior participação na colaboração ZEPLIN), esta equipa fez contribuições fundamentais para a experiência LUX e para este resultado em particular. Foi responsável pela concepção e desenvolvimento do sistema automático que fornece azoto líquido ao detector e sistemas auxiliares (fundamental para manter o xenon a cerca de -100 ºC), e pelo sistema automático de controlo de toda a experiência – que monitoriza e controla centenas de sensores.

Para além destes sistemas de hardware, teve também um papel crucial na análise de dados do detector, em particular ao desenvolver um algoritmo computacional que permite determinar a posição de cada interacção dentro do detector fundamental para se perceber o tipo de interacção e distinguir possíveis sinais de matéria escura.

O planeamento da próxima experiência de procura de matéria escura no laboratório de Sanford já está a decorrer. No final de 2016, o LUX será desmantelado para que seja instalado um novo e muito maior detector de xenon, conhecido como LUX-ZEPLIN (LZ). Enquanto LUX tem cerca de 370 kg de xenon líquido, LZ terá 10 toneladas, e será instalado dentro do mesmo tanque de água usado por LUX.

Foto: NASA / Wikimedia Commons