Durante quase um século, os cientistas têm tentado identificar a matéria escura, a substância invisível que se acredita constituir cerca de 85% de toda a matéria do Universo. Os seus efeitos gravitacionais podem ser vistos em todo o universo, mas nenhuma experiência detectou diretamente a substância. Descobrir de que é feita a matéria escura é um dos problemas não resolvidos mais importantes da física moderna.
Uma nova análise da experiência LUX-ZEPLIN (LZ) revelou agora um fenómeno particularmente interessante. Os investigadores registaram uma interação de uma única partícula que se revelou difícil de explicar utilizando sinais de fundo conhecidos gerados pela matéria comum.
Esta descoberta não é estatisticamente forte o suficiente para ser qualificada como uma descoberta. Ainda assim, os investigadores dizem que representa o sinal potencial de matéria escura mais convincente já relatado pela LZ.
Um enorme detector a cerca de um quilômetro de profundidade
O LZ é um projeto internacional que envolve 250 cientistas e engenheiros de 39 instituições. O experimento é gerenciado pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) e opera a cerca de um quilômetro e meio subterrâneo no Sanford Underground Research Facility (SURF), em Dakota do Sul.
No centro do detector estão 10 toneladas de xenônio líquido extremamente puro. O instrumento foi projetado principalmente para procurar WIMPs, ou partículas massivas de interação fraca, um dos principais candidatos propostos para explicar a matéria escura.
Os novos resultados foram apresentados durante uma palestra científica na TV Particle Astrophysics Conference 2026, no Japão. O artigo também será postado no arXiv e enviado artigo de revisão física.
“Estamos muito entusiasmados por ver este fenómeno nos dados, numa área onde esperamos ver matéria escura e onde há muito poucos antecedentes concorrentes”, disse Rick Gaitskell, professor da Universidade Brown e porta-voz da LZ. “Com apenas um evento, não queremos nos precipitar. Não estamos afirmando ter visto matéria escura. Mas vimos algo interessante que queremos compartilhar com a comunidade científica pela sua contribuição.”
Procurando por um novo dado
A colaboração LZ verifica seus resultados experimentais em lotes. Para este último estudo, os cientistas analisaram 220 dias vivos de observações recolhidas entre março de 2023 e abril de 2024.
Os pesquisadores já haviam pesquisado no mesmo conjunto de dados assinaturas muito fracas associadas às formas mais simples de interações WIMP. Desta vez, eles expandiram a pesquisa para incluir uma variedade maior de possíveis interações WIMP capazes de depositar grandes quantidades de energia dentro do detector.
A LZ é particularmente sensível a estes tipos de fenómenos, enquanto o seu design também ajuda os cientistas a reduzir a possibilidade de confundir as interações de partículas comuns com matéria escura.
“Este foi um estudo detalhado numa área que não havíamos explorado neste conjunto de dados, e gastámos meses de esforço adicional para compreender todas as possíveis causas dos eventos de fundo”, disse Sam Ericsson, investigador associado sénior da Universidade de Bristol, na Grã-Bretanha, e principal autor do estudo. “Compreendemos o nosso detector e o contexto tão bem que mesmo um único evento notável, como o que encontrámos, é significativo. Esperamos que os eventos de matéria escura sejam extremamente raros, pelo que apenas alguns poderão marcar a primeira detecção de matéria escura WIMP.”
O que o misterioso incidente poderia significar?
Se a matéria escura realmente produzir o sinal incomum, a massa do WIMP responsável seria provavelmente de pelo menos 200 GeV/c2 (gigaelétron-volt). Isso o tornará 200 vezes mais massivo que o próton.
Tal resultado também apontaria para um tipo especial de interação entre WIMPs e matéria normal que vai além dos modelos mais simples normalmente considerados em pesquisas de matéria escura.
Há uma razão importante para os cientistas serem cautelosos. A física de partículas geralmente exige que um resultado alcance significância estatística “5-sigma” antes de poder ser considerado uma descoberta. A nova descoberta LZ atualmente está em 2,6 sigma.
Segundo os pesquisadores, há cerca de 0,5% de chance de que o fenômeno incomum possa ser produzido por fontes conhecidas.
Mais observações seriam importantes. À medida que a LZ recolhe dados adicionais, os cientistas serão capazes de ver se a significância estatística do evento aumenta ou se o sinal claro eventualmente desaparece.
A LZ já reuniu o maior conjunto de dados do mundo para pesquisas de matéria escura e continuará a coletar dados WIMP no SURF, fornecendo aos pesquisadores dados ainda mais robustos no futuro.
Como o LZ separa a matéria escura do ruído de fundo
O experimento busca matéria escura observando o brilho característico da luz quando as partículas acumulam energia dentro do detector.
O desafio é que mesmo a matéria comum pode produzir interações entre partículas. Assim, o LZ utiliza múltiplas camadas de proteção e análise para identificar esses eventos de fundo e evitar que sejam confundidos com matéria escura.
Sua localização subterrânea oferece uma das primeiras proteções. Cerca de um quilômetro e meio de rocha acima do experimento bloqueia a maior parte da radiação de raios cósmicos provenientes do espaço. O tanque de água circundante e os detectores externos adicionais ajudam a proteger o detector central dos nêutrons de fundo.
Os investigadores também utilizam técnicas computacionais sofisticadas para separar as interações de diferentes tipos de partículas e descartar eventos que imitem assinaturas esperadas da matéria escura.
Este fenómeno invulgar atraiu especial atenção porque, até agora, não revelou os problemas que os cientistas normalmente encontram quando examinam algo extraterrestre mais de perto.
“Os eventos atípicos nos dados não são inesperados, mas quando os analisamos mais profundamente, normalmente destacam-se como uma espécie de pano de fundo”, disse Aaron Manaleese, físico do Berkeley Lab e presidente do Conselho Institucional do LZ. “Este é o primeiro exemplo de qualquer experiência em que trabalhei que parece ser válido em todos os sentidos. É claro que ainda estamos a quebrar a cabeça e a tentar pensar se existem alguns mecanismos de fundo raros que possamos ter perdido, mas vale a pena perguntar-nos se este poderá ser o primeiro indício de uma observação da matéria escura.”
Por enquanto, um fenômeno inexplicável não é suficiente para dizer que a matéria escura foi finalmente detectada. Mas como o sinal apareceu numa região onde a matéria escura poderia ser esperada e escapou a um escrutínio extensivo, os investigadores acreditam que merece mais atenção à medida que a experiência continua a recolher dados.
Apoio internacional para descoberta de matéria escura
LZ é apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Escritório de Alta Energia e Física Nuclear e pelo Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética, DOE Science User Facilities Office.
Apoio adicional vem do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia do Reino Unido; Fundação Portuguesa para a Ciência e Tecnologia; Fundação Nacional Suíça para a Ciência; Centro de Excelência do Conselho Australiano de Pesquisa para Física de Partículas de Matéria Escura; e Instituto de Ciências Básicas, Coreia.
Vinte e nove instituições de ensino superior e investigação avançada prestaram apoio à LZ. A colaboração LZ também reconhece a assistência do Sanford Underground Research Facility.
