Físicos detectam interações inexplicáveis de partículas enquanto pesquisam matéria escura

Nas profundezas das montanhas de Gran Sasso, na Itália, o experimento de matéria escura mais sensível do mundo fez uma detecção surpresa. Não, não é matéria escura. Em vez disso, o experimento detectou significativamente mais eventos de interação de partículas do que o previsto pelo modelo padrão da física de partículas.

Em vez dos 232 ± 15 eventos de baixa energia esperados no valor de um ano de dados, de fevereiro de 2017 a fevereiro de 2018, o XENON1T Dark Matter Experiment detectou 285 – um número enorme de 53 a mais do que a previsão e muito fora da margem de erro.

Emocionante, a grande equipe internacional de físicos envolvidos na colaboração não sabe o que está causando o excesso, mesmo que esteja trabalhando nos resultados desde 2018.

Após uma análise cuidadosa, eles resumiram suas opções em três possibilidades: uma razoavelmente mundana … e duas outras que teriam um enorme impacto em nossa compreensão da física fundamental.

Os pesquisadores apresentaram suas descobertas em um seminário on-line em 17 de junho e prepararam um artigo que está atualmente em pré-impressão antes da revisão por pares.

“Observamos um excesso maior que três sigma e não sabemos o que é”, disse o físico Evan Shockley, da Universidade de Chicago.

O XENON1T é um tanque cheio com 3,2 toneladas métricas de xenônio líquido ultra-puro e equipado com conjuntos de tubos fotomultiplicadores. É completamente selado e completamente escuro, a fim de detectar a cintilação e a eletroluminescência produzidas quando duas partículas interagem umas com as outras, produzindo minúsculos flashes de luz e uma minúscula chuva de elétrons ejetados de um átomo de xenônio – o que é conhecido como recuo de elétrons.

Como a maioria dessas interações ocorre a partir de partículas conhecidas, é uma questão relativamente direta estimar o número de eventos em segundo plano que devem estar ocorrendo. Foi assim que o número 232 para eventos de recuo de elétrons de baixa energia foi obtido.

Portanto, “de onde os 53 eventos adicionais” é a grande questão.

O primeiro, e mais mundano, dos três cenários que poderiam ter produzido interações adicionais de partículas é uma fonte anteriormente não considerada de eventos de segundo plano, causada por quantidades muito pequenas de um raro isótopo radioativo de hidrogênio chamado trítio.

O trítio, observaram os pesquisadores, poderia ter sido introduzido no detector através da ativação cosmogênica do xenônio e do hidrogênio nos próprios materiais do detector. Seria necessário apenas uma quantidade minuciosa de trítio – apenas alguns átomos para cada 1025 átomos de xenônio, muito pequenos para serem detectados. As tentativas de detectar o trítio por outros meios foram infrutíferas; portanto, a hipótese do trítio não pôde ser confirmada nem descartada.

A segunda possibilidade, mais intrigante, é que o sinal possa ser causado por neutrinos. Essas partículas são semelhantes aos elétrons, mas quase não têm massa nem carga, e interagem com outras partículas com pouca frequência. Isso também é bom, já que os neutrinos são a partícula mais abundante no Universo.

De acordo com os cálculos da equipe, os neutrinos poderiam ser responsáveis ​​pelo excesso de sinal se tivessem um momento magnético mais forte – isto é, força e orientação magnética – do que pensávamos. Se esses neutrinos do momento magnético mais forte são responsáveis ​​pelo sinal, possivelmente precisaríamos de uma nova física para explicar como eles podem existir.

O grande problema desse cenário é que esses neutrinos são produzidos em núcleos estelares (entre outros lugares) e seriam produzidos em maior número em estrelas muito quentes, como as anãs brancas, das quais extrairiam energia, reduzindo o calor da estrela. Ainda temos que observar essa perda de calor consistente com a extração de energia de neutrinos com fortes momentos magnéticos. Isso cria o que os pesquisadores chamam de “forte tensão” com seus próprios resultados.

O terceiro cenário é um tipo de partícula hipotética chamada axião solar. Esse é o melhor ajuste para os dados, com um nível de confiança de 3,5 sigma – ou seja, uma chance de 2 em 10.000 de que o sinal seja uma flutuação aleatória. (Os outros dois cenários têm um nível de confiança de 3,2 sigma.)

Isso seria realmente enorme, já que até o momento não detectamos axions de nenhum tipo. Eixos são um tipo de partícula proposta na década de 1970 para resolver a questão de por que forças atômicas fortes seguem algo chamado simetria de paridade de carga, quando a maioria dos modelos diz que não precisa.

Eixos de uma massa específica são fortes candidatos à matéria escura. Os axônios solares, hipoteticamente fluindo do Sol, não são os mesmos que os axônios candidatos à matéria escura, mas seriam um forte indício de sua existência – se existirem axônios solares, outros axônios também deverão existir.

O problema com este cenário é muito semelhante ao problema com os neutrinos. Se o Sol pode produzir axions, todas as estrelas também devem; e, mais uma vez, a perda de calor observada em estrelas muito quentes impõe limites estritos às interações axiais com partículas subatômicas.

Então, ficamos com um pouquinho de picles, e um que só será solucionável com – você adivinhou – mais experimentos. Como o XENON1T está atualizando para sua próxima fase, o XENONnT, teremos que nos segurar por enquanto.

“Os sinais discutidos aqui podem ser mais explorados nos detectores da próxima geração”, escreveram os pesquisadores em seu artigo.

“O XENONnT, apresentando uma massa alvo de 5,9 toneladas e um fator de ∼6 de redução no histórico de ER, nos permitirá estudar o excesso com muito mais detalhes, se persistir. Estudos preliminares com base nos melhores resultados deste trabalho sugerem que um sinal de axio solar pode ser diferenciado de um fundo de trítio no nível de 5 σ após apenas alguns meses de dados do XENONnT”.

Fonte: Engenharia é