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Duas pesquisas de matéria escura relatam que os seus detectores provavelmente registaram neutrinos vindos do Sol – detectando a “névoa de neutrinos” que poderia pôr em perigo futuras pesquisas de matéria escura.
Várias pesquisas importantes de matéria escura operam em alguns dos laboratórios subterrâneos mais profundos do mundo, protegidos de raios cósmicos e outros fundos que poderiam ofuscar um sinal de matéria escura. Mas à medida que estas experiências aumentam a sua sensibilidade, podem ser afetadas por um fundo que nenhuma camada de rocha consegue bloquear – um fundo produzido pelos neutrinos fantasmagóricos que passam através da matéria praticamente desimpedidos. Esta “névoa de neutrinos” poderia potencialmente obscurecer a capacidade destas experiências de detectar matéria escura. (Figo. 1). Agora, duas pesquisas independentes de matéria escura, realizadas pelas colaborações PandaX e XENON, relatam fortes indícios de que seus detectores começaram a ver a neblina associada a fluxos de neutrinos solares (1, 2).
“Este (resultado) é um grande testemunho da incrível sensibilidade destas experiências”, diz o físico de partículas Dan Hooper, da Universidade de Wisconsin-Madison. Elisabetta Barberio, da Universidade de Melbourne, na Austrália, considera as medições um “feito notável”, observando que o nevoeiro de neutrinos não terá um impacto significativo nas pesquisas de matéria escura durante pelo menos uma década. Nem Hooper nem Barberio estiveram envolvidos nos estudos.
Pesquisas como as do PandaX e XENON têm como alvo a principal partícula candidata à matéria escura – uma partícula massiva de interação fraca (WIMP). Sua abordagem envolve tanques gigantes de xenônio líquido purificado e ultrafrio. Se um WIMP atingisse um núcleo de xenônio, causaria um recuo nuclear, gerando um sinal detectável na forma de fótons ou elétrons. Um neutrino de alta energia, entretanto, pode produzir um sinal notavelmente semelhante ao de um WIMP. Os pesquisadores previram há muito tempo que tais sinais podem constituir uma névoa que poderia mascarar um sinal potencial de candidatos à matéria escura em um determinado espaço de parâmetros.
Os sinais de neutrinos são gerados por um processo chamado espalhamento de núcleo de neutrino elástico coerente, ou . A natureza coerente deste processo significa que o neutrino interage com o núcleo como um todo – com todos os seus nêutrons e prótons – formando mais provável do que outras interações com núcleons ou elétrons individuais. Apesar desta grande “seção transversal”, é difícil de observar porque um neutrino só pode transmitir um pequeno recuo a um núcleo. foi detectado pela primeira vez em 2017 em um experimento baseado em acelerador que aproveitou o grande fluxo de neutrinos de alta energia disponível na Spallation Neutron Supply no Oak Ridge Nationwide Laboratory, no Tennessee.
Agora muito mais fraco O sinal de neutrinos solares, em vez de neutrinos produzidos por aceleradores, foi relatado tanto pelo experimento PandaX-4T no Laboratório Subterrâneo China Jinping quanto pelo experimento XENONnT no Laboratório Nacional Gran Sasso, na Itália. Ambos os experimentos empregam um quantity multiton de xenônio líquido. Qing Lin, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China e membro da Colaboração PandaX, afirma que o resultado é uma validação extremamente importante do experimento. “A detecção de um sinal tão raro prova a nossa capacidade de detectar um sinal de matéria escura, se ele existir.” Mas o suposto sinal também abre uma nova janela de observação para estes projectos. “Esta é a primeira medição de neutrinos astrofísicos com uma experiência de matéria escura”, diz Fei Gao da Universidade de Tsinghua, na China, membro da Colaboração XENON.
Cada experimento analisou dados de duas pesquisas científicas realizadas ao longo de dois anos. As análises sugeriram que os detectores detectaram eventos provenientes de neutrinos gerados no Sol pelo decaimento beta radioativo do boro-8, um isótopo produzido por reações de fusão no núcleo photo voltaic. Em ambos os experimentos, a distribuição de energia e a contagem numérica do candidato os eventos foram consistentes com as expectativas teóricas baseadas no desempenho atual do detector e no fluxo bem caracterizado de neutrinos solares de boro-8.
Colaboração XENON
A XENONnT implantou uma extensa análise de dados baseada em aprendizado de máquina que permitiu à equipe isolar cerca de 11 sinais de diferentes tipos de origens, mesmo sem conhecimento completo da origem física de tais origens, de acordo com Kexin Liu, da Universidade de Tsinghua, e Dacheng Xu, da Universidade de Columbia, que trabalharam nessa análise (Fig. 2).
O PandaX-4T, por outro lado, relatou até 75 eventos. O número maior vem de uma compensação, diz o vice-porta-voz do PandaX-4T, Ning Zhou: Com um limite de energia de detecção mais baixo, seu experimento foi sensível a sinais mais fracos, mas também sofreu com fundos maiores. Em última análise, PandaX-4T e XENONnT obtiveram confiança estatística semelhante para a identificação de boro-8 eventos — 2,64 sigma e 2,73 sigma, respectivamente.
Embora estes valores estejam aquém dos critérios rigorosos frequentemente utilizados na física de partículas para afirmações de “evidência” (3-sigma) ou de “descoberta” (5-sigma), os investigadores estão confiantes quanto à interpretação. “Não estamos reivindicando a descoberta de uma nova física, mas a medição de um processo que é totalmente esperado”, diz Gao. Kate Scholberg, da Duke College, Carolina do Norte, concorda: “Acho que a maioria das pessoas, inclusive eu, está bastante confiante de que ambas as colaborações mediram a névoa de neutrinos”.
Se os caçadores de matéria escura estão realmente entrando na névoa de neutrinos, isso pressagia desafios intransponíveis para buscas diretas de matéria escura? É muito cedo para dizer, dizem Barberio, Hooper e Gao. “A percepção da ‘ameaça existencial’ representada pela névoa de neutrinos é provavelmente exagerada”, diz Barberio. Hooper concorda. “Ainda há muito a ser feito antes que este cenário nos impeça de fazer mais progressos.” Somente os experimentos da próxima geração que estarão on-line na próxima década poderão ser significativamente impactados, diz Hooper. Além disso, os investigadores já estão a conceber estratégias para mitigar tal impacto, em specific, adicionando sensibilidade direccional à detecção: os neutrinos solares vêm do Sol, enquanto se espera que um “vento” de partículas de matéria escura sopre de uma direcção determinada por o movimento do Sistema Photo voltaic em relação ao halo de matéria escura que rodeia a nossa Galáxia.
Mas estes neutrinos podem ser um sinal interessante por si só, independentemente do seu impacto nas pesquisas de matéria escura. “Os resultados abrem toda uma nova área de medição”, diz Barberio. No longo prazo, as medições poderiam ser usadas para testar previsões de modelos padrão para neutrinos, para sondar explosões de neutrinos de supernovas e para monitorar emissões de neutrinos de reatores nucleares para apoiar esforços de não-proliferação, diz ela. “Podemos transformar nosso detector em um experimento multifuncional”, diz Lin.
Correção (8 de novembro de 2024): Uma versão anterior do artigo trocou a significância estatística das medições das duas colaborações. Os valores sigma para PandaX-4T e XENONnT devem ser 2,64 e 2,73, respectivamente.
–Matteo Rini
Matteo Rini é o editor do Revista Física.
Referências
- Z.Bo e outros. (Colaboração PandaX), “Primeira indicação de energia photo voltaic 8Neutrinos B através do espalhamento elástico coerente de neutrinos-núcleos no PandaX-4T,” Física. Rev. 133191001 (2024).
- E. Aprile e outros. (Colaboração XENON), “Primeira indicação de energia photo voltaic 8Neutrinos B through espalhamento elástico coerente de neutrino-núcleo com XENONnT,” Física. Rev. 133191002 (2024).
