Os cientistas podem estar se aproximando da verdadeira identidade da matéria escura

“Embora sempre esperamos descobrir uma nova partícula, é importante para a física de partículas que somos capazes de estabelecer limites sobre o que a matéria escura pode realmente ser”, disse o físico experimental da UC Santa Barbara, Hugh Lippincott. Os cientistas suspeitaram da existência de matéria escura há décadas, mas continua sendo uma substância misteriosa – que, no entanto, desempenha um papel fundamental na estrutura do universo.

A LZ caça por matéria escura de uma caverna quase uma milha no subsolo no Sanford Underground Research Facility (SURF) em Dakota do Sul. Os novos resultados do experimento exploram interações mais fracas da matéria escura do que nunca pesquisou antes e limitam ainda mais o que poderia ser o WIMPS. Os resultados analisam 280 dias de dados: um novo conjunto de 220 dias (coletado entre março de 2023 e abril de 2024) combinado com 60 dias anteriores a partir da primeira execução da LZ. O experimento planeja coletar 1.000 dias de dados antes de terminar em 2028.

A parte interna do detector LZ consiste em dois tanques de titânio aninhados cheios de dez toneladas de xenônio líquido puro transparente, que é tão denso que cria um ambiente altamente isolado, livre do “ruído” do mundo exterior e perfeito para capturar os mais fracos sinais que poderiam ser indicativos de um wimp. A esperança é que um covarde bata em um núcleo de xenônio, fazendo com que ele se mova, assim como um golpe de uma bola em um jogo de piscina. Ao coletar a luz e os elétrons emitidos durante as interações, a LZ captura sinais potenciais de WIMP ao lado de outros dados. Este núcleo de xenônio líquido é cercado por um detector externo muito maior (OD)-tanques acrílicos cheios de cintilador líquido carregado de gadolínio.

A sensibilidade de LZ vem das inúmeras maneiras pelas quais o detector pode reduzir os fundos, os sinais falsos que podem se passar por uma interação de matéria escura. Deep Underground, o detector é protegido de raios cósmicos provenientes do espaço. Para reduzir a radiação natural dos objetos cotidianos, a LZ foi construída a partir de milhares de peças ultracleanas e de baixa radiação. O detector é construído como uma cebola, com cada camada bloqueando a radiação externa ou rastreando interações de partículas para descartar imitações da matéria escura. E, novas técnicas sofisticadas de novas análises ajudam a descartar as interações em segundo plano.

UCSB was one of the founding groups in LZ, led by UCSB physicist Harry Nelson, who hosted the first LZ meeting at UCSB in 2012. The team currently consists of faculty members Lippincott and Nelson, postdoctoral researchers Chami Amarasinghe and TJ Whitis, and graduate students Jeonghwa Kim, Makayla Trask, Lindsey Weeldreyer, and Jordan Thomas. Outros colaboradores do resultado incluem Ph.D. recente. O destinatário Jack Bargemann, agora pesquisador de pós -doutorado do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico e ex -pesquisador de graduação; Tarun Adraith Kumar, agora estudante de pós -graduação no Perimeter Institute. O coordenador de física do resultado foi Scott Haselschwardt, que recebeu seu doutorado. da UCSB em 2018 e agora é professor assistente da Universidade de Michigan.

Os nêutrons, partículas subatômicas que existem em todos os átomos salvam hidrogênio, estão entre os fatores mais comuns dos sinais de WIMP. Nelson e UCSB lideraram o design, a fabricação e o comissionamento do OD, o componente crítico que permite à colaboração descartar essas partículas e permitir uma descoberta real.

“O mais complicado dos nêutrons é que eles também interagem com os núcleos do xenônio, emitindo um sinal idêntico ao que esperamos dos WIMPS”, disse Trask. “O OD é excelente na detecção de nêutrons e confirma uma detecção de covarde por não ter nenhuma resposta”. A presença de um pulso no OD pode vetar um candidato perfeito para uma detecção de covarde.

O radônio também é uma imitação de WIMP, para a qual os cientistas devem estar vigilantes. “Radon passa por uma sequência específica de decaimentos, alguns dos quais podem ser confundidos com WIMPS”, disse Bargemann. “Uma das coisas que pudemos fazer nessa corrida foi cuidar de todo o conjunto de decaimentos no detector para identificar o radônio e evitar confundi -los para WIMPS”.

Para permitir um resultado forte e eliminar o viés inconsciente, a colaboração da LZ aplicou uma técnica chamada “salga”, que adiciona sinais de wimp falsos durante a coleta de dados. Ao camuflar os dados reais até a “inauguração” no final, os pesquisadores podem evitar preconceitos inconscientes e não interpretar excessivamente ou alterar sua análise.

“Estamos empurrando o limite para um regime onde as pessoas não procuraram matéria escura antes”, disse Haselschwardt. “Há uma tendência humana de querer ver padrões nos dados, por isso é realmente importante quando você entra nesse novo regime em que nenhum viés entra. Se você fizer uma descoberta, deseja acertar”.

Com esses resultados, o campo de possibilidades para o que os WIMPs podem ser diminuíram dramaticamente, permitindo que todos os cientistas que procuram matéria escura concentrem melhor suas pesquisas e rejeitem modelos incorretos de como o universo opera. É um jogo longo, com mais coleta de dados no futuro e que fará mais do que acelerar a busca por matéria escura.

“Nosso experimento também é sensível a eventos raros com raízes em diversas áreas da física”, disse Amarasinghe. “Alguns exemplos são neutrinos solares, os fascinantes decaimentos de certos isótopos de xenônio e até outros tipos de matéria escura. Com a intensidade desse resultado atrás de nós, estou muito animado para passar mais tempo nessas pesquisas”.

“O Departamento de Física da UCSB tem uma longa história de planejamento de buscas por matéria escura, começando com um dos primeiros resultados publicados de uma pesquisa em 1988”, disse Nelson. Os membros anteriores do corpo docente incluem David Caldwell (agora falecido) e Michael Witherell, agora diretor do Laboratório Lawrence Berkeley. David Hale (agora aposentado) foi pioneiro em muitas das técnicas para suprimir sinais falsos de matéria escura que agora são empregados em todo o campo das pesquisas de matéria escura. “A UCSB, através do Departamento de Física, a Faculdade de Cartas e Ciências, a administração e por meio de doações particulares, apoiou fortemente o esforço da matéria escura por décadas e fez contribuições substanciais à LZ”.

A LZ é uma colaboração de cerca de 250 cientistas de 38 instituições nos Estados Unidos, Reino Unido, Portugal, Suíça, Coréia do Sul e Austrália; Grande parte do trabalho de trabalho, operação e análise do experimento de recorde é feita por pesquisadores do início da carreira. A colaboração já está ansiosa para analisar o próximo conjunto de dados e estender nossas técnicas de análise de dados para procurar sinais de matéria escura de baixa massa. Os cientistas também estão pensando em possíveis atualizações para melhorar ainda mais a LZ e planejar um detector de matéria escura de próxima geração chamada XLZD.

A LZ é apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Escritório de High Energy Physics e Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa em Energia, um escritório de usuários do Escritório de Ciências do DOE. A LZ também é apoiada pelo Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia do Reino Unido; a Fundação portuguesa de Ciência e Tecnologia; a Swiss National Science Foundation e o Instituto de Ciência Básica, Coréia. Mais de 38 instituições de ensino superior e pesquisa avançada forneceram apoio à LZ. A assistência do centro de pesquisa subterrânea de Sanford tem sido o tempo todo crítico para os esforços da UCSB para a LZ.