Caça à matéria escura em um cofre em Neutrino Alley

Cientistas do Oak Ridge National Laboratory tentaram observar a matéria escura em um corredor de porão bem iluminado usando a sensibilidade de seus detectores de neutrinos. Neutrino Alley, onde a equipe está trabalhando, está localizado abaixo da Spallation Neutron Source, um poderoso acelerador de partículas. Após anos de computação teórica, a equipe do COHERENT começou a observar a matéria escura, que se acredita constituir até 85% da massa do universo. O experimento permitiu à equipe ampliar a busca global por matéria escura de uma nova maneira, e eles planejam receber um detector maior e mais sensível para melhorar suas chances de capturar partículas de matéria escura.

Poucas coisas carregam a mesma aura de mistério que a matéria escura. O próprio nome irradia sigilo, sugerindo algo oculto nas sombras do universo.

Chamado de equipe colaborativa de cientistas coerenteincluindo Kate Schulberg, Distinguished Professor of Physics of Arts and Sciences, Philip Barbeau, Associate Professor of Physics, e o pesquisador de pós-doutorado Daniel Berchie, tentaram trazer a matéria escura das sombras do universo para um destino menos glamoroso: um brilhantemente iluminado , corredor do porão apertado.

Não é um porão comum, no entanto. Trabalhando em uma área do Oak Ridge National Laboratory apelidada de Neutrino Alley, a equipe costuma se concentrar em partículas subatômicas chamadas neutrinos. Eles são produzidos quando as estrelas morrem e se tornam supernovas, ou em um nível mais próximo da Terra, como subproduto da colisão de prótons em aceleradores de partículas.

A matéria escura, o material invisível que compõe 85% da matéria do universo, não está escondida muito longe entre as galáxias. Uma equipe de cientistas está tentando tirá-la das sombras. Crédito: Raios-X: NASA/CXO/Fabian et al. ; Rádio: Gendron-Marsolais et al. ; NRAO/AUI/NSF Óptica: NASA, SDSS

Não por acaso, o Neutrino Alley está localizado logo abaixo de um dos aceleradores de partículas mais poderosos do mundo, o Oak Ridge’s. Fonte de nêutrons de espalação (SNS). Neutrino Alley abriga uma coleção de detectores projetados especificamente para monitorar neutrinos enquanto eles passam e colidem com eles.

No entanto, os neutrinos não são o único subproduto dos processos SNS. A matéria escura (não confundir com a antimatéria favorita do vilão) também é produzida quando os aceleradores de partículas colidem prótons. Após anos de computação teórica, a equipe COHERENT decidiu aproveitar o poder do SNS e a sensibilidade de seus detectores de neutrinos para monitorar a matéria escura em Neutrino Alley.

“E nós não vimos isso”, diz Schulberg. “Claro, se tivéssemos visto, teria sido mais emocionante, mas não ver é realmente um grande problema.”

Ela explicou que o fato de a matéria escura não ter sido detectada por seus detectores de neutrinos permite que ela melhore os modelos teóricos de como a matéria escura se parece.

“Sabemos exatamente como um detector de matéria escura responderia se a matéria escura tivesse certas propriedades, então estávamos procurando por essa assinatura específica”.

Kate Schulberg, co-autor Grayson Rich e Philip Barbeau. Crédito: Long Li/Duke University

A impressão digital em questão é a forma como os núcleos dos átomos no detector de neutrinos saltam quando atingem um neutrino ou, neste caso, uma partícula de matéria escura.

“É como jogar projéteis em uma bola de boliche em um pedaço de gelo”, disse Berchie. Bolas de boliche, em sua analogia, são os átomos no detector de neutrinos – que neste experimento era um cristal de iodeto de césio de 14,6 kg. “Você pode dizer muito sobre o estilingue e a força que lança pela altura em que a bola de boliche quica no contato.”

Quando se trata de matéria escura, qualquer informação é uma boa informação. Ninguém sabe o que realmente é. Quase 100 anos atrás, os físicos perceberam que o universo não poderia se comportar da maneira que se comportaria se tudo o que ele contivesse fossem as coisas que pudéssemos ver.

“Estamos nadando em um mar de matéria escura”, disse Jason Newby, chefe do Neutrino Research Group no Oak Ridge National Laboratory e coautor do estudo. O consenso dos físicos é que a matéria escura compõe 85% da massa do universo. Deve estar sujeito à gravidade para explicar o comportamento do universo, mas não interage com nenhum tipo de luz ou ondas eletromagnéticas e parece escuro.

Jason Newby e o co-autor Yuri Efremenko carregam o pequeno detector de neutrinos de iodeto de césio de 14,6 kg usado para procurar matéria escura em Neutrino Alley. Crédito: Laboratório Nacional Genevieve Martin/Oak Ridge, Departamento de Energia dos EUA

“Aprendemos isso observando grandes galáxias que orbitam umas às outras e vimos que elas giram muito mais rápido do que deveriam, o que implica que elas têm mais massa do que parecem”, disse Birchi. “Então, sabemos que há coisas adicionais por aí, só precisamos saber onde procurá-las.”

“Mesmo que na maioria das vezes não tenhamos resultados, é realmente importante que você olhe para todos os lados e então você pode descartar uma série de possibilidades e focar em uma nova área com estratégia ao invés de apenas usar o ‘espaguete na parede ‘ abordagem”, disse Newby.

Daniel Berchi. Crédito: Duke University

“Estamos estendendo nosso alcance a quaisquer modelos que possam existir para a matéria escura, e isso é muito poderoso”, disse Schulberg.

E a conquista não para por aí, ela observa: o experimento também permitiu que a equipe ampliasse a busca global por matéria escura de uma nova maneira.

“A técnica de detecção típica é ir para o subsolo, construir um detector muito sensível e esperar que as partículas de matéria escura passem”, disse Berchi.

o problema? Partículas de matéria escura podem estar viajando silenciosamente pelo ar. Se também for muito leve, pode não alcançar o detector com energia suficiente para criar uma impressão digital detectável.

A configuração experimental da equipe COHERENT aborda esse problema.

“Quando você entra no acelerador, produz essas partículas com uma energia significativamente maior”, disse Berchi. Isso lhes dá muito gravidade para atingir os núcleos e mostrar o sinal da matéria escura. “

E agora? Ainda não está de volta à prancheta. Neutrino Alley está se preparando para receber um detector maior e mais sensível, que, combinado com os critérios de busca refinados do COHERENT, aumentará muito as chances de capturar uma dessas partículas diabólicas.

“Estamos no limiar de onde a matéria escura precisa estar”, disse Birchi.

Referência: “Primeira sonda de matéria escura Sub-GeV além das previsões cosmológicas usando o detector COHERENT CsI no SNS” por D. Akimov et al. 3 de fevereiro de 2023 Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803