A matéria escura ainda é um mistério: a busca mais sensível, mas se esvazia

Grande detector subterrâneo de matéria escura de xenônio

A visão de dentro do detector de matéria escura Large Underground Xenon (LUX), que fica quase uma milha abaixo das colinas negras de Dakota do Sul. O detector atualizado acabou de terminar sua execução de 20 meses sem encontrar atividade de matéria escura. (Crédito da imagem: Matthew Kapust. Copyright South Dakota Science and Technology Authority)

O detector de matéria escura LUX incrivelmente sensível, enterrado sob uma milha de rocha, ficou vazio em sua busca de 20 meses por matéria escura - estreitando ainda mais as possíveis características da estranha substância.

Os pesquisadores apresentaram os resultados hoje (21 de julho) na 11ª Conferência de Identificação da Matéria Escura (IDM2016) em Sheffield, Reino Unido, que reúne pesquisadores que buscam compreender matéria escura , o misterioso material que parece constituir mais de quatro quintos da massa do universo, mas que os cientistas não observaram diretamente.



'O LUX forneceu a melhor sensibilidade de pesquisa do mundo desde sua primeira execução em 2013,' Rick Gaitskell, físico da Brown University e co-porta-voz do LUX, disse em um comunicado . 'Com este resultado final da pesquisa de 2014 a 2016, os cientistas da Colaboração LUX levaram a sensibilidade do instrumento a um nível de desempenho final que é quatro vezes melhor do que os objetivos do projeto original.' [A busca por matéria escura em imagens]

A Caverna Davis no Sanford Underground Research Facility, que costumava ser uma mina de ouro, foi ampliada e equipada para o experimento Large Underground Xenon (LUX). Antes abrigava Ray Davis

A Caverna Davis no Sanford Underground Research Facility, que costumava ser uma mina de ouro, foi ampliada e equipada para o experimento Large Underground Xenon (LUX). Anteriormente, abrigava o experimento de neutrino solar vencedor do Prêmio Nobel de Ray Davis.(Crédito da imagem: Matthew Kapust, Sanford Underground Research Facility, South Dakota Science and Technology Authority)

LUX é a abreviação de experimento de matéria escura Large Underground Xenon. Ele fica a 1,6 km de profundidade em uma antiga mina de ouro da Dakota do Sul que agora é chamada de Centro de pesquisa subterrânea de Sanford . Suspenso em um tanque de 72.000 galões (272.500 litros) de água purificada, um tanque de titânio de 1,8 metros de altura contém um terço de uma tonelada (302 kg) de xenônio líquido frígido. O trabalho do xenônio é acender, com um choque de carga elétrica e um fraco flash de luz capturado por sensores circundantes, quando uma partícula de matéria escura colide com um de seus átomos - e os galões de água e quilômetros de rocha são para impedir que qualquer outra coisa entre e atrapalhe.

Este último resultado revela que nada com as propriedades certas para excitar o xenônio conseguiu sobreviver.

'Teria sido maravilhoso se a sensibilidade aprimorada também tivesse emitido um sinal claro de matéria escura', disse Gaitskell. 'No entanto, o que observamos é consistente apenas com o contexto.'

Os astrônomos sabem mais sobre o que a matéria escura não é do que realmente é. Veja o que os cientistas sabem sobre a matéria escura neste infográfico da Space.com.

Os astrônomos sabem mais sobre o que a matéria escura não é do que realmente é. Veja o que os cientistas sabem sobre a matéria escura neste infográfico da Space.com.(Crédito da imagem: Karl Tate, artista de infográficos do Space.com)

A busca por WIMPs

Embora os cientistas nunca tenham detectado matéria escura diretamente, eles sabem que ela desempenha um papel importante em nosso universo: a maneira como as galáxias giram e a forma como a luz se curva ao passar por elas revela uma quantidade substancial de matéria extra que aumenta a gravidade do sistema.

O LUX foi projetado para pesquisar partículas massivas de interação fraca (WIMPs) - um dos principais candidatos para matéria escura. Essas partículas têm de 10 a 100 vezes a massa de um próton, mas interagem muito fracamente com a matéria comum (é por isso que os cientistas não podem detectá-las facilmente). A maioria das partículas, como os raios cósmicos que constantemente fluem para a Terra, seriam interrompidos pela proteção de rocha e água ao redor do detector, mas os WIMPs seriam capazes de passar - às vezes, se os pesquisadores tiverem sorte, bater em um dos átomos de xenônio densamente compactados no detector e liberando um sinal de luz ao longo do caminho (o xenônio líquido é transparente para esses fótons). Outras partículas que entram provavelmente atingirão vários átomos de xenônio e desencadearão uma cascata de luz, enquanto os WIMPs teriam sorte de atingir um.

Os pesquisadores examinaram uma grande quantidade de dados coletados do dispositivo cuidadosamente calibrado ao longo do experimento de 20 meses, que se seguiu a uma pesquisa LUX de três meses menos sensível que terminou em 2013 , também com resultado negativo. Os pesquisadores foram capazes de filtrar os sinais nos dados criados por partículas de matéria não escura que conseguiram entrar no experimento. Isso deu aos pesquisadores a capacidade de procurar matéria escura em interação, que deveria produzir apenas alguns sinais por século por quilo de xenônio, disseram os pesquisadores no comunicado. [ Não há WIMPS no espaço? - NASA Scans For Dark Matter ]

A falta de detecção do LUX não significa que a matéria escura não seja feita de WIMPs, mas sugere que os WIMPs de matéria escura não podem ter uma massa ou efeito sobre a matéria comum dentro de um determinado intervalo.

'Embora um sinal positivo fosse bem-vindo, a natureza não foi tão gentil!' Cham Ghag, um físico da University College London e colaborador do LUX, dito em outro comunicado . 'No entanto, um resultado nulo é significativo, pois muda a paisagem do campo ao restringir modelos para o que a matéria escura poderia estar além de qualquer coisa que existia anteriormente.'

Avante

O LUX é um dos vários esforços para detectar matéria escura, e seus resultados também ajudarão a restringir as pesquisas conduzidas por futuros experimentos de detecção direta. Outros experimentos, como o COUPP-60, o XENON Dark Matter Project na Itália e a Super Cryogenic Dark Matter Search (SUPERCDMS) usaram técnicas semelhantes que protegem fortemente um material e esperam pela passagem de matéria escura de ocorrência natural.

Um experimento no Large Hadron Collider, por outro lado, tem uma chance de criar matéria escura e, em seguida, detectando seu sinal.

'Vimos isso como uma corrida de Davi e Golias entre nós e o muito maior Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN em Genebra', disse Gaitskell. 'LUX esteve correndo nos últimos três anos para obter as primeiras evidências de um sinal de matéria escura. Agora teremos que esperar e ver se a nova corrida deste ano no LHC mostrará evidências de partículas de matéria escura, ou se a descoberta ocorrerá na próxima geração de detectores diretos maiores. '

O próprio detector de próxima geração do LUX, o LUX-Zeplin, terá 70 vezes a sensibilidade do LUX, disseram os pesquisadores no comunicado - que ocupará o lugar do LUX no subsolo para continuar a busca.

Envie um e-mail para Sarah Lewin em slewin@space.com ou siga-a @SarahExplains . Siga-nos @Spacedotcom , Facebook e Google+ . Artigo original em Space.com .