Físicos revelam como decifrar quebra-cabeça da matéria escura

Os pesquisadores desenvolveram uma técnica inovadora que oferece esperança na compreensão da natureza indescritível da matéria escura terrestre, revelando suas propriedades e comportamento. Físicos de todo o mundo estão ativamente engajados na busca para detectar partículas indescritíveis de matéria escura (DM) e sua interatividade com a matéria visível, empregando diversos métodos e detectores. Devido à sua natureza não emissiva, não reflexiva e não absorvente da luz, o exame dessas partículas em processos experimentais convencionais provou ser difícil.

Cientistas afiliados ao TRIUMF, à Universidade de Minnesota, à Universidade da Califórnia em Berkeley e à Universidade de Stanford revelaram um novo processo para descobrir as partículas impenetráveis ​​que desafiam o modelo padrão. Esta abordagem pioneira, detalhada em uma publicação da Physical Review Letters , centra-se na identificação de sinais distintos decorrentes da conversão de matéria escura em matéria visível usando grandes detectores de neutrinos.

“DM ligado à Terra (partículas de DM que estão sendo presas na Terra por meio de colisões com os constituintes da Terra) que interagem suficientemente fortemente com a matéria bariônica comum pode ter uma densidade tentadoramente grande, quase 15 ordens de magnitude maior que a densidade de DM galáctica (~ 0,3 GeV/cm3)”, Anupam Ray, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a uma agência de ciência.

Ray expressou que a questão principal era como encontrar essas partículas DM abundantes no volume da Terra. Ele reconheceu como pode ser desafiador detectá-los devido ao tamanho de sua energia, que é muito pequena – cerca de 0,03 elétron-volts (eV) – tornando quase impossível localizá-los usando os métodos tradicionais de detecção direta. Esses experimentos não foram projetados para detectar tais partículas de baixa energia, mas Ray acrescentou que estão desenvolvendo métodos novos e inovadores para detectar essas partículas DM.

Em vez de tentar encontrar indicações de dispersão de partículas DM, que tem sido a abordagem na maioria dos esforços de detecção direta, Ray e seus colegas físicos sugeriram um método diferente: eles propuseram procurar sinais resultantes da aniquilação de partículas DM. Isso ocorre quando partículas DM colidem com outras partículas e são completamente destruídas, liberando energia.

Ao contrário dos sinais de dispersão, que normalmente envolvem pouca energia cinética, os sinais de aniquilação não são limitados por tais limitações, tornando-os mais fáceis de procurar e encontrar.

Os pesquisadores acham que existem muitas partículas de matéria escura aqui na Terra. Eles sugerem tentar encontrá-los procurando pistas de seu desaparecimento dentro de grandes detectores de neutrinos como o Super-Kamiokande. Este grande detector Cherenkov está situado abaixo de uma montanha no Japão e é usado para estudar neutrinos de diferentes lugares como o sol e supernovas.

“DMs terrestres que interagem fortemente com matéria bariônica comum estão abundantemente presentes dentro de qualquer detector de neutrinos de grande volume, como o Super-Kamiokande”, observou Ray.

Ray explicou ainda que, se as partículas de matéria escura dentro do detector Super-Kamiokande se combinarem e desaparecerem, elas deixarão sinais perceptíveis. O Super-Kamiokande pode facilmente procurar por esses sinais e obter informações valiosas sobre as propriedades da matéria escura. Mesmo que essas partículas de matéria escura sejam apenas uma pequena porção de toda a matéria escura, esse método ainda pode dar aos pesquisadores a melhor chance de entender suas características e comportamento.

Esta equipe de cientistas desenvolveu uma nova abordagem para estudar partículas de matéria escura que interagem fortemente na Terra. Essas partículas são consideradas abundantes, mas têm sido difíceis de observar. Embora formem apenas uma pequena porção de toda a matéria escura, esta técnica inovadora promete grande potencial e pode contribuir muito para a busca de matéria escura.

“Agora queremos explorar as assinaturas de neutrinos de DM terrestre em interação forte. Neste estudo, não somos sensíveis a uma massa DM relativamente pesada (digamos, massa DM de 10 GeV ou mais)”, acrescentou Ray.

À medida que o DM fica mais pesado e se concentra em direção ao centro da Terra, sua densidade numérica dentro do volume do Super-Kamiokande diminui, levando a um sinal fraco, mas há esperança de explorar o espaço de parâmetros do DM pesado usando o sinal de neutrino.