Experimento LUX-ZEPLIN registra interação de partículas que pode indicar a detecção de matéria escura

O experimento LUX-ZEPLIN registrou uma interação de partículas que desafia as explicações convencionais de "processos de fundo", abrindo a possibilidade de ter detectado a matéria escura. O evento, apresentado em 1º de setembro na conferência TeV Particle Astrophysics, no Japão, sugere a presença de uma WIMP (partícula massiva de interação fraca), uma das principais candidatas a compor essa substância que representa cerca de 85% da matéria do Universo.

Apesar do avanço, a descoberta ainda não é oficial. O sinal apresentou uma significância estatística de 2,6 sigma, valor inferior ao patamar de 5 sigma exigido pela física de partículas para a confirmação de um achado. O estudo será disponibilizado na plataforma arXiv e submetido à revista Physical Review Letters para passar por revisão por pares.

A tecnologia de detecção subterrânea

Para minimizar interferências de radiações e partículas da superfície, o detector foi instalado na Instalação de Pesquisa Subterrânea de Sanford, na Dakota do Sul, a quase 1,5 quilômetro de profundidade. O projeto é administrado pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, do Departamento de Energia dos EUA, e envolveu o trabalho de 250 cientistas e engenheiros de 39 instituições de seis países ao longo de dois anos.

O sistema utiliza dez toneladas de xenônio líquido ultrapuro em uma câmara monitorada por sensores de luz. O funcionamento baseia-se na colisão de partículas com átomos de xenônio, o que gera flashes de luz e a liberação de elétrons. Esses sinais são captados por tubos fotomultiplicadores, enquanto um campo elétrico conduz os elétrons para o topo da câmara, produzindo um segundo clarão.

Na análise recente, a equipe focou em 220 dias de dados coletados entre março de 2023 e abril de 2024. Diferente de buscas anteriores por interações simples, os pesquisadores ampliaram a pesquisa para sinais capazes de depositar maior quantidade de energia no detector.

Natureza da matéria escura e a hipótese WIMP

A matéria escura é invisível a telescópios convencionais pois não emite, reflete ou absorve radiação eletromagnética. Sua existência é inferida apenas através da influência gravitacional que exerce sobre galáxias e estrelas. Como as partículas comuns — prótons, nêutrons e elétrons — interagem com a luz, a busca se volta para partículas fora do Modelo Padrão da física.

Caso o sinal do LUX-ZEPLIN seja confirmado como uma WIMP, os dados indicam que a partícula teria:

• Massa de pelo menos 200 GeV/c² (mais de 200 vezes a massa de um próton);
• Uma forma de interação com a matéria comum distinta dos modelos mais simples.

Devido à raridade esperada desses eventos, a detecção de apenas alguns sinais consistentes e independentes poderia ser suficiente para validar a descoberta, sem a necessidade de milhares de registros.

Filtros de precisão e próximos passos

Para evitar falsos positivos, o experimento utiliza camadas de proteção que incluem a própria rocha subterrânea, um tanque de água e detectores externos para bloquear nêutrons. Ferramentas computacionais também são aplicadas para diferenciar ruídos de interações reais.

Embora exista uma probabilidade de 0,5% de que o evento seja apenas um ruído de fundo, a equipe destaca que este é um caso atípico que se manteve válido após todas as verificações. O LUX-ZEPLIN seguirá coletando dados no laboratório subterrâneo para aumentar a capacidade estatística da pesquisa. A confirmação da hipótese dependerá do surgimento de novos eventos semelhantes ou da exclusão de qualquer explicação convencional para o sinal observado.