Desde a década de 1960, os cientistas teorizam que o Universo está cheio de uma massa misteriosa e invisível. Conhecida como "matéria escura", estima-se que essa massa represente aproximadamente 85% da matéria no Universo e um quarto de sua densidade de energia. Embora essa massa tenha sido indiretamente observada e estudada, todas as tentativas de determinar sua verdadeira natureza falharam até agora.
Para resolver isso, estão sendo realizadas várias experiências que contam com instrumentos imensamente sofisticados. Um deles, chamado XENON, observou recentemente um processo que anteriormente havia evitado várias tentativas de detecção. Esses resultados podem ajudar os cientistas a melhorar sua compreensão dos neutrinos, que alguns cientistas acreditam ser a matéria escura.
Os resultados (XENON1T) apareceram como parte de um estudo publicado recentemente na revista Natureza. O XENON é um projeto experimental conjunto de cerca de 160 cientistas da Europa, EUA e Oriente Médio. Atualmente, é liderada pela Prof. Elena Aprile da Universidade de Columbia e operada pelo Laboratório Nacional Gran Sasso (LNGS) na Itália.
Como outros experimentos de matéria escura, o objetivo é detectar as partículas candidatas de matéria escura conhecidas como partículas massivas de interação fraca (WIMPS). Para esse fim, a instalação está localizada no subsolo, para evitar interferências de outras fontes de neutrinos (que incluem os neutrinos solares criados regularmente por nosso Sol e os neutrinos cósmicos).
No caso do experimento XENON, isso envolve observar uma câmara cheia de líquido Xenon-124 quanto a sinais de interações de partículas. Esses sinais forneceriam a primeira evidência experimental direta de partículas candidatas à matéria escura. E embora seu primeiro conjunto de resultados não confirme a existência de matéria escura, ele observou a decadência dos núcleos atômicos de xenônio-124 pela primeira vez.
Por várias razões, essa foi uma imensa conquista. Além de ser o primeiro histórico, a meia-vida medida para o Xenon-124 é cerca de um trilhão de vezes mais que a idade do próprio Universo (13,8 bilhões de anos). Isso torna o decaimento radioativo que eles observaram - a chamada captura de elétrons duplos do Xenon-124 - o processo mais raro já observado em um detector.
Como o professor Christian Weinheimer - da Universidade de Münster, cujo grupo liderou o estudo - explicou em um comunicado de imprensa da XENON:
"O fato de termos conseguido observar esse processo demonstra diretamente o quão poderoso é nosso método de detecção - também para sinais que não são da matéria escura".
Para quebrar esse processo, um átomo de Xenon-124 é composto de 54 prótons e 70 nêutrons, que são cercados por invólucros atômicos com 54 elétrons. No processo conhecido como captura dupla de elétrons, dois prótons no núcleo simultaneamente capturam dois elétrons da camada mais interna, os transformam em dois nêutrons e cospem dois neutrinos.
Os outros elétrons então se reorganizam para preencher a lacuna criada na camada mais interna, enquanto a energia é liberada na forma de raios-X e o que é chamado de "elétrons sem-fim". No entanto, esses sinais são muito difíceis de detectar, pois o processo é muito raro e está oculto pela radioatividade natural. No entanto, a colaboração do XENON conseguiu fazer isso graças a um ano de observações com seus instrumentos.
Os raios X emitidos como resultado da captura dupla de elétrons produziram um sinal de luz no xenônio líquido e também nos elétrons livres. Esses elétrons então se moveram em direção à parte superior do detector, cheia de gás, onde produziram um segundo sinal de luz, e a diferença de tempo entre os dois correspondeu ao tempo que os elétrons levam para chegar ao topo do detector.
A equipe científica usou esse intervalo e os sensores da câmara para reconstruir a posição da captura dupla de elétrons enquanto a força do sinal era usada para medir quanta energia foi liberada. Isso proporcionou aos cientistas os meios para determinar a meia-vida incrivelmente longa do xenônio, que eles calcularam para 1,8 × 10²² anos.
Esses resultados demonstram efetivamente a capacidade dos detectores XENON de detectar processos raros enquanto rejeitam os sinais de segundo plano. Os novos resultados também podem permitir investigações adicionais sobre os neutrinos, que são os mais leves de todas as partículas elementares e ainda não são totalmente compreendidos. Estes incluem a massa do neutrino, que ainda não está bem restringida.
Como cristão
“Isso prova que essa tecnologia de detector XENON que usamos para matéria escura é muito mais versátil. Recebemos todas essas análises legais ... de graça, depois de termos construído um experimento sensível o suficiente para caçar matéria escura. ”
A execução da observação XENON1T coletou dados entre 2016 e dezembro de 2018, quando foi desativada para fazer atualizações. Uma vez concluídas, a equipe de ciências começará a realizar a próxima fase das observações. Conhecida como "XENONnT", essa fase apresentará uma massa ativa de detector três vezes maior que a primeira experiência.
Juntamente com as atualizações projetadas para reduzir a interferência de fundo, o detector terá um nível de sensibilidade várias ordens de magnitude maior. Neste ponto, podemos esperar que o experimento brilhe uma luz ainda mais brilhante nas áreas escuras do Universo.
