Enterraram sete toneladas de xenônio a 1,5 mil metros de profundidade para encontrar matéria escura, mas resultado não se encaixa

Sete toneladas ativas de xenônio líquido, quase 1,5 mil metros de rocha acima e várias camadas adicionais destinadas a identificar qualquer coisa que pudesse contaminar a busca. Tivemos que chegar a esse extremo porque algumas das partículas que estamos tentando encontrar, se de fato existirem, devem interagir com a matéria de maneiras extraordinariamente raras. O desafio, então, é construir um ambiente onde quase tudo o que sabemos possa ser reconhecido ou descartado. Só então faz sentido parar e investigar aqueles poucos sinais que não se comportam exatamente como esperávamos.

Por trás dessa busca está o LUX-ZEPLIN, ou LZ, uma colaboração internacional que tenta detectar WIMPs, partículas massivas de interação fraca propostas como um dos possíveis componentes da matéria escura. Sabemos que essa matéria invisível existe por causa dos efeitos gravitacionais que produz e que representa cerca de 85% da matéria no universo, mas ainda não conhecemos sua natureza. O LZ está justamente tentando testar uma dessas hipóteses. Esta nova análise de seus dados revelou um sinal particularmente difícil de explicar.

Normalidade terminou num evento único

Para entender o que o LZ estava procurando, precisamos olhar dentro do detector. Quando uma partícula deposita energia em xenônio líquido, ela desencadeia um flash de luz inicial, conhecido como S1, e libera elétrons que um campo elétrico direciona para a parte superior. Lá, eles geram um segundo sinal, S2.

Tubos fotomultiplicadores registram ambos os sinais e, comparando sua intensidade e o intervalo de tempo entre eles, os pesquisadores podem reconstruir onde a interação ocorreu e obter informações sobre o tipo de interação que aconteceu. Essa distinção permite separar grande parte do ruído de um sinal potencialmente interessante.

Quando os pesquisadores passaram da teoria para os dados, o panorama geral não mostrou nenhuma incompatibilidade estatisticamente significativa com os modelos utilizados. A análise empregou um volume fiducial de 4,71 toneladas de xenônio e coletou 220 dias de observação efetivos entre março de 2023 e abril de 2024, o equivalente a 2,84 toneladas-ano de exposição.

Após a aplicação de todas as seleções, a amostra científica consistiu em 1.710 eventos. Os testes de ajuste, explicam os pesquisadores, não indicaram nenhuma discordância geral significativa. Para encontrar o aspecto incomum, precisamos descer um pouco mais e observar como esses pontos estão distribuídos um a um.

Para isso, precisamos voltar a 16 de junho de 2023. Naquele dia, o LZ registrou um evento que agora assume um significado diferente, pois a nova análise apresentada em 2026 ampliou a busca para incluir recuos nucleares de energia mais alta. A interação é consistente com um recuo de cerca de 248 keV: em termos físicos, um núcleo de xenônio teria recebido energia e sofrido um recuo dentro do detector. Além disso, o sinal estava muito mais próximo da faixa esperada para recuos nucleares do que da população de recuos eletrônicos, que é muito mais comum como ruído de fundo. 

A partir daí, a tarefa era encontrar uma explicação mais convencional. A equipe analisou se o evento poderia ser devido à radioatividade, nêutrons, neutrinos, coincidências acidentais ou algum efeito instrumental capaz de simular uma interação nuclear. Eles também verificaram circunstâncias específicas naquele momento: uma fonte de cobalto-57 havia sido removida 25 minutos antes, mas estava localizada do outro lado do detector, e nenhuma população anômala associada apareceu; tampouco múons haviam passado recentemente pela câmara. Após meses revisando esses possíveis ruídos de fundo, a colaboração não identificou nenhum como uma explicação provável.

O fato de nenhuma causa convencional convincente ter surgido não torna automaticamente o evento matéria escura. O que acontece é que a nova análise foi projetada para explorar interações de alta energia, incluindo algumas que certos modelos de WIMP poderiam produzir. Mas não devemos interpretar mal a descoberta. O Observatório de Langevin (LZ) observou um evento compatível com certos modelos de matéria escura, mas não identificou a partícula que o produziu nem mediu sua massa.

Um preprint publicado no arXiv fornece mais informações. A discrepância com a hipótese de ruído de fundo atinge um máximo local de 3,4 sigma, mas após a correção para o fato de LZ estar testando múltiplos modelos e possibilidades, o resultado cai para 2,6 sigma globalmente. Este é o chamado efeito de "olhar para outro lugar", e deixa a anomalia muito longe dos 5 sigma que a física de partículas normalmente exige para considerá-la uma descoberta. Após toneladas de xenônio, anos de busca e milhares de interações analisadas, um único ponto permanece sem uma explicação convincente. Agora, novos dados determinarão se ele ganha força ou desaparece.

Imagens | Berkeley Lab