Caros Leitores;
O interior do detector externo LZ. O LZ é uma máquina supersensível que pode um dia detectar uma partícula de matéria escura. Matt Kapust, SURF , CC BY-SA
Físicos como eu não entendem completamente o que compõe cerca de 83% da matéria do universo – algo que chamamos de “ matéria escura ”. Mas com um tanque cheio de xenônio enterrado quase um quilômetro abaixo de Dakota do Sul, podemos um dia ser capazes de medir o que realmente é a matéria escura.
No modelo típico, a matéria escura é responsável pela maior parte da atração gravitacional do universo, fornecendo a cola que permite a formação de estruturas como galáxias, incluindo a nossa própria Via Láctea . À medida que o sistema solar orbita em torno do centro da Via Láctea, a Terra se move através de um halo de matéria escura , que compõe a maior parte da matéria em nossa galáxia.
A representação de um artista do halo de matéria escura em torno do disco espiral central da Via Láctea. NASA/ESA/A Feild STSci , CC BY
Sou um físico interessado em entender a natureza da matéria escura. Um palpite popular é que a matéria escura é um novo tipo de partícula, a Partícula Massiva de Interação Fraca , ou WIMP. “WIMP” captura a essência da partícula muito bem – ela tem massa, o que significa que ela interage gravitacionalmente, mas de outra forma ela interage muito fracamente – ou raramente – com a matéria normal. WIMPs na Via Láctea teoricamente voam através de nós na Terra o tempo todo, mas como eles interagem fracamente, eles simplesmente não atingem nada.
Procurando por WIMPs
Nos últimos 30 anos, os cientistas desenvolveram um programa experimental para tentar detectar as raras interações entre WIMPs e átomos regulares. Na Terra, no entanto, estamos constantemente cercados por níveis baixos e não perigosos de radioatividade provenientes de oligoelementos – principalmente urânio e tório – no ambiente, bem como raios cósmicos do espaço. O objetivo da caça à matéria escura é construir um detector o mais sensível possível, para que possa ver a matéria escura e colocá-lo em um local o mais silencioso possível, para que o sinal da matéria escura possa ser visto sobre a radioatividade de fundo.
Com os resultados publicados em julho de 2023 , a colaboração LUX-ZEPLIN , ou LZ, fez exatamente isso, construindo o maior detector de matéria escura até hoje e operando-o a 4.850 pés (1.478 metros) de profundidade no Sanford Underground Research Facility em Lead, Dakota do Sul. .
No centro de LZ repousam 10 toneladas métricas (10.000 kg) de xenônio líquido . Quando as partículas passam pelo detector, elas podem colidir com átomos de xenônio, levando a um flash de luz e à liberação de elétrons.
As partículas interagem com o xenônio no LZ, liberando luz que é detectada por duas matrizes de detecção de luz na parte superior e inferior. SLAC/LZ , CC BY
Em LZ, duas grandes redes elétricas aplicam um campo elétrico ao longo do volume do líquido, que empurra esses elétrons liberados para a superfície do líquido. Quando rompem a superfície, são puxados para o espaço acima do líquido, que é preenchido com gás xenônio, e acelerados por outro campo elétrico para criar um segundo flash de luz. Dois grandes conjuntos de sensores de luz coletam esses dois flashes de luz e, juntos, permitem que os pesquisadores reconstruam a posição, a energia e o tipo de interação que ocorreu.
Reduzindo a radioatividade
Todos os materiais na Terra, incluindo aqueles usados na construção do detector WIMP, emitem alguma radiação que pode potencialmente mascarar as interações da matéria escura. Os cientistas, portanto, constroem detectores de matéria escura usando os materiais mais “radiopuros” – ou seja, livres de contaminantes radioativos – que podem encontrar, tanto dentro quanto fora do detector.
Por exemplo, ao trabalhar com fundições de metais, LZ conseguiu usar o titânio mais limpo da Terra para construir o cilindro central – ou criostato – que contém o xenônio líquido. O uso deste titânio especial reduz a radioatividade em LZ, criando um espaço livre para ver qualquer interação de matéria escura. Além disso, o xenônio líquido é tão denso que na verdade age como um escudo de radiação, e é fácil purificar o xenônio de contaminantes radioativos que possam entrar sorrateiramente.
No detector interno de LZ, duas matrizes de detecção de luz na parte superior e inferior visualizam um cilindro central que será preenchido com xenônio líquido. Matt Kapust, SURF , CC BY
Em LZ, o detector central de xenônio fica dentro de dois outros detectores, chamados de capa de xenônio e detector externo. Essas camadas de suporte captam a radioatividade no caminho para dentro ou para fora da câmara central de xenônio. Como as interações da matéria escura são tão raras, uma partícula de matéria escura só interagirá uma vez em todo o aparato. Assim, se observarmos um evento com múltiplas interações no xenônio ou no detector externo, podemos assumir que não está sendo causado por um WIMP.
Todos esses objetos, incluindo o detector central, o criostato e o detector externo, vivem em um grande tanque de água a quase um quilômetro e meio de profundidade. O tanque de água protege os detectores da caverna, e o ambiente subterrâneo protege o tanque de água dos raios cósmicos ou partículas carregadas que estão constantemente atingindo a atmosfera da Terra.
Vídeo:https://youtu.be/dwoFeiqiNe0
O LZ vive no subsolo para bloquear a radiação cósmica. Mas, para chegar lá, os engenheiros da SURF tiveram que descobrir uma maneira de transportar todas as máquinas e equipamentos.
A caçada continua
No resultado recém-publicado , usando 60 dias de dados, LZ registrou cerca de cinco eventos por dia no detector. Isso é cerca de um trilhão de eventos a menos do que um típico detector de partículas na superfície registraria em um dia. Ao observar as características desses eventos, os pesquisadores podem dizer com segurança que nenhuma interação até agora foi causada pela matéria escura. O resultado, infelizmente, não é uma descoberta de nova física – mas podemos definir limites sobre o quão fracamente a matéria escura deve interagir, pois permanece invisível para LZ.
Esses limites ajudam a dizer aos físicos o que a matéria escura não é – e LZ faz isso melhor do que qualquer experimento no mundo. Enquanto isso, há esperança para o que vem a seguir na busca pela matéria escura. A LZ está coletando mais dados agora e esperamos obter mais de 15 vezes mais dados nos próximos anos. Uma interação WIMP pode já estar naquele conjunto de dados, apenas esperando para ser revelada na próxima rodada de análise.
Fonte: The Guardian / Publicação 09/08/2023
https://theconversation.com/researchers-dig-deep-underground-in-hopes-of-finally-observing-dark-matter-211075
Fonte:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.041002
Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas” e "Conhecendo a Energia produzida no Sol".
Acompanha e divulga os conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.
Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.
>Autor de cinco livros, que estão sendo vendidos nas livrarias Amazon, Book Mundo e outras.
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