PRIMEIROS RESULTADOS DO LUX, O DETECTOR DE MATÉRIA ESCURA MAIS SENSÍVEL DO MUNDO
1 de Novembro de 2013
Após o seu primeiro estudo de mais de três meses, operando a 1,6 km de profundidade nas Black Hills do estado americano de Dakota do Sul, uma nova experiência chamada LUX provou ser o detector de matéria escura mais sensível do mundo.
"O LUX está abrindo caminho para iluminar a natureza da matéria escura," afirma o físico Rick Gaitskell da Universidade de Brown, co-porta-voz do LUX com o físico Dan McKinsey da Universidade de Yale. LUX significa "Large Underground Xenon experiment".
Gaitskell e McKinsey anunciaram os primeiros resultados do LUX, em nome da colaboração, num seminário na passada Quarta-feira no Instituto de Pesquisa de Sanford em Lead, no mesmo estado americano onde se encontra o detector. A colaboração científica inclui 17 universidades e laboratórios nacionais dos EUA, Reino Unido e Portugal (especificamente do LIP - Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas - e do Departamento de Física da Universidade de Coimbra).
A matéria escura, até agora observada apenas pelos seus efeitos gravitacionais sobre galáxias e enxames de galáxias, é a forma predominante de matéria no Universo. Partículas massivas de interacção fraca, ou WIMPs (inglês para "Weakly interacting massive particles") - assim chamadas porque raramente interagem com a matéria comum, à excepção de através da gravidade - são as principais candidatas teóricas para a matéria escura. As teorias e resultados de outras experiências sugerem que os WIMPs poderiam ser de "alta massa" ou "baixa massa".
O LUX tem um pico de sensibilidade a uma massa WIMP de 33 GeV/c^2, com uma sensibilidade limite três vezes superior a qualquer outra experiência anterior. O LUX tem também uma sensibilidade 20 vezes maior do que qualquer outra experiência passada à procura de WIMPs de baixa-massa, cuja possível detecção tem sido sugerida por outras experiências. Três eventos candidatos de WIMP de baixa massa recentemente relatados em detectores ultra-frios de silício teriam produzido mais de 1600 eventos no muito maior detector do LUX, ou um a cada 80 minutos na experiência mais recente. Não foram observados nenhuns sinais.
"Este é apenas o começo para o LUX," afirma McKinsey. "Agora que entendemos o instrumento, vamos continuar a recolher dados, a testar candidatos elusivos em busca da matéria escura."
Tanto em teoria como na prática, as colisões entre WIMPs e matéria normal são raras e extremamente difíceis de detectar, especialmente porque a chuva constante de radiação cósmica do espaço pode abafar os sinais fracos. É por isso que o LUX decorre a 1,6 km de profundidade, onde poucos raios cósmicos podem penetrar. O detector é ainda protegido da radiação de fundo da rocha circundante por imersão num tanque de água ultra-pura.
"Este ambiente extremamente tranquilo melhora substancialmente a nossa capacidade de ver WIMPs dispersados com núcleos de xénon," afirma Gaitskell.
No coração da experiência está um tanque de titânio com quase 2 metros de altura, preenchido com quase 0,3 toneladas de xénon líquido, arrefecido a mais de 101 graus negativos. Se um WIMP atinge um átomo de xénon, este recua de outros átomos de xénon e emite fotões (luz) e electrões. Os electrões são atraídos para cima por um campo eléctrico e interagem com uma fina camada de xénon gasoso no topo do tanque, libertando mais fotões.
Os detectores de luz na parte superior e inferior do tanque são capazes de detectar um único fotão, por isso as posições dos dois sinais de fotões - um no ponto de colisão, o outro no topo do tanque - podem ser localizadas no espaço de milímetros. A energia da interacção pode ser medida com precisão a partir do brilho dos sinais.
"O LUX é um instrumento complexo," afirma McKinsey, "mas garante com que a assinatura única da posição e energia de cada evento WIMP seja registada com precisão."
A maior vantagem do LUX como detector de matéria escura é o seu tamanho, um grande alvo de xénon cujas regiões exteriores protegem ainda mais o interior dos raios-gama e neutrões. Instalado no Verão de 2012, a experiência foi enchida com xénon líquido em Fevereiro, e a sua primeira experiência decorreu na Primavera e Verão, seguida por análises intensivas dos dados. A pesquisa por matéria escura vai continuar durante os próximos dois anos.
"O misterioso sector escuro do Universo presenteia-nos com dois dos mais emocionantes desafios de toda a física," afirma Saul Perlmutter do Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley, vencedor do prémio Nobel da Física pela sua descoberta da aceleração da expansão do Universo. "Nós chamamo-lo de sector escuro precisamente porque não sabemos o que representa a maior parte da energia e massa do Universo. A energia escura é um desafio, e no que toca ao outro desafio, os primeiros dados da experiência LUX assumem agora a liderança na caça do componente da matéria escura do sector escuro."
A próxima geração de detectores de matéria escura já está em fases de planeamento. Em comparação com o tanque de 0,3 toneladas de xénon líquido, o LUX-ZEPLIN, ou LZ, albergará 7 toneladas de xénon líquido dentro do mesmo tanque com mais de 270.000 litros de água pura usado pelo LUX. Tom Shutt, físico da Universidade Case Western Reserve, porta-voz para o LZ e anterior co-porta-voz do LUX, diz que um dos objectivos do LUX é descobrir como construir um detector ainda maior.
"O LZ será mil vezes mais sensível que o detector LUX," afirma Shutt. "Começará a ver um fundo irredutível de neutrinos que pode vir a definir o limite da nossa capacidade de medir a matéria escura."
Investigadores do LUX, vistos aqui numa sala lima à superfície do Laboratório Sanford, a trabalhar no interior do detector, antes de ser inserido no criostato de titânio.
Crédito: Matt Kapust, Instituto de Pesquisa Subterrâneo de Sanford
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Investigador do LUX trabalha na secção de baixo da experiência, quase a 1,6 km de profundidade no Laboratório Sanford. O próprio detector LUX está suspenso neste tanque inoxidável, protegido da radiação de fundo por mais de 270.000 litros de água.
Crédito: Matt Kapust, Laboratório de Pesquisa Subterrâneo de Sanford
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O detector de matéria escura LUX suspenso no seu tanque protector de água (vazio na imagem). O detector é um criostato de titânio - isto é, um termo de vácuo - que mantém o xénon frio o suficiente para permanecer em estado líquido, a mais de 100 graus negativos.
Crédito: Matt Kapust, Instituto de Pesquisa Subterrâneo de Sanford
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