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Jul 29, 2023

A busca por partículas de matéria escura e invisíveis?

Nosso Universo está cheio de mistérios esperando para serem resolvidos. Um dos maiores enigmas da física moderna é a natureza das partículas de matéria escura e dos neutrinos. Apesar de constituírem um

Nosso Universo está cheio de mistérios esperando para serem resolvidos. Um dos maiores enigmas da física moderna é a natureza das partículas de matéria escura e dos neutrinos. Apesar de constituírem uma parte significativa do Universo, ainda sabemos pouco sobre estas partículas indescritíveis. No entanto, com a ajuda de tecnologias inovadoras, estamos cada vez mais perto de compreender as suas propriedades, para que possamos utilizá-las como uma nova janela para o Universo oculto. Esta busca pelo conhecimento não só aprofunda a nossa compreensão do Universo, mas tem o potencial de revolucionar o nosso modo de vida.

Aqui, veremos como DarkWave, um projeto financiado pela Comissão Europeia (Grant No 952480) e implementado por um consórcio de cinco institutos de pesquisa – AstroCeNT/ Nicolaus Copernicus Astronomical Center (um Centro de Excelência em Física de Astropartículas recentemente estabelecido na Polônia) , Laboratoire Astroparticule & Cosmologie/CNRS, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e Gran Sasso Science Institute, Universidade Técnica de Munique – contribui para este esforço científico.

No atual modelo padrão de cosmologia, as partículas de matéria escura constituem 27% do Universo e estão orientando a forma como as estruturas maiores e em escala galáctica observadas se formam, evoluem e se movem. A matéria normal contribui com 5%, dos quais os neutrinos contribuem com 0,3%. O restante é preenchido por energia escura, o que afeta a taxa de expansão do Universo.

Ao contrário da matéria comum, os neutrinos e a matéria escura não respondem à força eletromagnética. Eles não são apenas escuros, mas totalmente transparentes – eles não absorvem, refletem ou espalham fótons. Isto torna difícil que tenham qualquer efeito sobre a matéria normal: um grande número de neutrinos cósmicos e partículas de matéria escura fluem constantemente através da Terra sem um efeito perceptível. No entanto, tanto o modelo padrão da cosmologia como o modelo padrão da física de partículas só fazem sentido se existir uma partícula de matéria escura, e as propriedades dos neutrinos e da matéria escura são fundamentais para a nossa compreensão da evolução do Universo. Portanto, construímos detectores para observá-los.

As interações dos neutrinos com a matéria induzem cargas elétricas detectáveis, mas são tão raras que um grande número de átomos alvo deve ser observado para obter até mesmo um pequeno número de interações. Para a matéria escura, a situação é ainda mais complicada: ainda não sabemos que tipo de partícula é a matéria escura.

Algumas teorias da física de partículas prevêem uma partícula massiva de interação fraca (WIMP) que seria capaz de se espalhar nos núcleos atômicos, transmitindo-lhes alguma energia cinética. Toneladas de átomos alvo devem ser observadas para esta liberação repentina de energia cinética extra ao longo dos anos. Tais experiências são realizadas em laboratórios subterrâneos profundos, como o INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) em Itália, onde o DarkSide-20k, o próximo detector de matéria escura mais sensível, está a ser construído. São necessários quilómetros de rocha para proteger a radiação cósmica natural, que de outra forma abafaria completamente os sinais exóticos procurados.

A detecção dessas partículas invisíveis de matéria escura se resume a detectar os fótons que elas induzem indiretamente na matéria. Uma das melhores maneiras de ser sensível às interações entre WIMP e neutrinos é com um cintilador – um material que emite flashes de luz. Esta luz viaja através do grande volume do detector e é detectada com fotossensores dispostos em torno do volume alvo. O argônio líquido é um excelente cintilador, mas detectar sua emissão é outro desafio. A maioria dos sensores comerciais não é sensível à luz UV distante que emite; deve ser convertido em luz visível usando os chamados materiais de deslocamento de comprimento de onda (WLS). Um dos desafios para a próxima geração de detectores de matéria escura e neutrinos é ampliar as tecnologias WLS e de sensores fotográficos para 100 m2 ou mais. O projeto DarkWave aborda aspectos-chave deste desafio: geração, coleta e detecção de luz.

Para maximizar a quantidade de luz gerada, será usado argônio líquido especialmente purificado. Antes de encher o detector DarkSide-20k, o argônio será refinado nas instalações recentemente inauguradas da Aria, na Sardenha, onde uma torre de destilação criogênica de 350 m de altura está sendo construída. Cada fóton é importante, portanto, uma combinação de WLS altamente eficiente e materiais refletores é usada para revestir as paredes do detector. O detector de veto, que circunda o detector WIMP principal e suprime a radiação natural de fundo, tem uma área de superfície de 200m2. Após extensos testes e prototipagem liderados pelo AstroCeNT e medições em argônio líquido no Gran Sasso, na Universidade de Zurique e no CERN, um plástico comum, o naftalato de polietileno (PEN), normalmente usado para fazer coisas como garrafas de cerveja, foi selecionado como WLS. para o veto. A eficiência do PEN é inferior à dos materiais feitos sob medida, mas compensa pelo seu baixo custo e pelas instalações industriais existentes de produção em grandes áreas.