Nas profundezas de uma antiga mina de ouro nas Black Hills, em Dakota do Sul, cientistas procuram há anos uma das substâncias mais misteriosas do Universo. Agora, finalmente encontraram algo estranho.
O experimento LUX-ZEPLIN (LZ), um dos detectores de matéria escura mais sensíveis já construídos, registrou uma única interação de partículas que não corresponde aos sinais de fundo conhecidos produzidos pela matéria comum.
O evento pode representar uma colisão envolvendo matéria escura. Mas também pode ser provocado por uma partícula desconhecida ou até por algum fenômeno físico que os pesquisadores ainda não compreenderam.
Por enquanto, a equipe mantém a cautela.
“Não estamos afirmando que vimos matéria escura”, explicou Rick Gaitskell, professor de física da Universidade Brown e porta-voz do experimento. Segundo ele, os pesquisadores encontraram algo interessante exatamente na região onde esperavam detectar matéria escura, com pouquíssimos sinais de fundo capazes de oferecer outra explicação.
Por que os cientistas acreditam que a matéria escura existe?
Ninguém conseguiu observar diretamente uma partícula de matéria escura.
Mesmo assim, existem fortes evidências de sua existência.
O movimento das galáxias oferece uma das pistas mais importantes. A quantidade de matéria que conseguimos observar não parece suficiente para explicar a velocidade com que estrelas e galáxias se movimentam ou como essas estruturas permanecem gravitacionalmente unidas.
Algo invisível parece produzir gravidade adicional.
Os cientistas chamam esse componente de matéria escura. Estimativas indicam que ela corresponde a cerca de 85% de toda a matéria existente no Universo.
O problema é descobrir do que ela é feita.
Se suas partículas absorvessem, refletissem ou emitissem luz, provavelmente já teríamos conseguido observá-las. Tudo indica, porém, que elas praticamente não interagem com a radiação eletromagnética.
Encontrar uma diretamente se tornou uma das maiores buscas da física moderna.
Um tanque com 10 toneladas de xenônio procura partículas invisíveis
Entre os principais candidatos para explicar a matéria escura estão as chamadas WIMPs, sigla em inglês para partículas massivas de interação fraca.
Essas partículas hipotéticas teriam massa e responderiam à gravidade, mas praticamente não interagiriam com a luz e raramente colidiriam com a matéria comum.
O LUX-ZEPLIN foi projetado justamente para procurar essas colisões extremamente raras.
No centro do experimento existe um tanque contendo aproximadamente 10 toneladas de xenônio líquido ultrapuro.
Sensores extremamente sensíveis monitoram o material em busca de sinais produzidos quando alguma partícula atinge um átomo de xenônio.
Mas existe um enorme problema: outras partículas também podem produzir sinais parecidos.
Por isso, o experimento funciona a quase 1,6 quilômetro abaixo da superfície, nas instalações do Sanford Underground Research Facility, em Lead, Dakota do Sul.
Toda essa rocha funciona como um gigantesco escudo natural contra raios cósmicos e outras interferências.
O misterioso sinal apareceu em 16 de junho de 2023
Na nova análise, os pesquisadores estudaram 220 dias de observações coletadas entre março de 2023 e abril de 2024.
A equipe já havia analisado esses dados procurando sinais mais simples de possíveis interações com WIMPs.
Desta vez, porém, ampliou a busca.
Os pesquisadores procuraram interações capazes de depositar quantidades maiores de energia dentro do detector.
Foi então que encontraram algo incomum.
O sinal apareceu em 16 de junho de 2023.
Sam Eriksen, pesquisador da Universidade de Bristol e principal autor do estudo, explicou que a equipe passou meses analisando todas as possíveis fontes conhecidas que poderiam produzir aquele evento.
Até agora, nenhuma explicação convencional conseguiu resolver completamente o mistério.
Se for matéria escura, existe outro problema
A hipótese mais intrigante é que o detector tenha registrado uma colisão entre uma WIMP e um átomo de xenônio.
Caso isso tenha realmente acontecido, os cálculos indicam que a partícula teria aproximadamente 200 vezes a massa de um próton.
Além disso, a colisão apresentou uma quantidade de energia inesperadamente elevada.
E é justamente aí que surge um novo mistério.
Se WIMPs desse tipo estiverem atravessando o detector, os modelos tradicionais indicam que o LZ deveria ter encontrado várias colisões de energia mais baixa.
Mas isso não aconteceu.
Portanto, a descoberta não se encaixa perfeitamente nas teorias mais simples sobre essas partículas.
Pode existir uma física que ainda não conhecemos
Existem várias possibilidades.
Talvez as WIMPs interajam com a matéria comum de uma maneira diferente daquela prevista pelos modelos atuais.
Outra hipótese é que essa partícula tenha recebido algum tipo de impulso que aumentou sua velocidade antes de atingir o detector.
Também existe uma possibilidade ainda mais intrigante: talvez o sinal não tenha sido produzido por uma WIMP.
Alguma outra partícula desconhecida ou processo físico inesperado poderia estar por trás do evento.
Por isso, encontrar apenas uma interação não permite anunciar a descoberta da matéria escura.
Os cientistas precisam encontrar outros eventos semelhantes.
Outros experimentos poderão confirmar a descoberta
A boa notícia é que o LUX-ZEPLIN continua coletando informações.
O projeto já acumulou um dos maiores conjuntos de dados do mundo dedicado à busca direta por matéria escura.
Quanto maior esse arquivo se tornar, maiores serão as chances de descobrir se o evento de junho de 2023 foi uma anomalia isolada ou parte de um padrão.
Se novos sinais semelhantes aparecerem, outros experimentos poderão procurar a mesma coisa.
Dois deles serão especialmente importantes: o PandaX, na China, e o XENONnT, na Itália.
Caso detectores independentes encontrem partículas com características semelhantes, a possibilidade de uma descoberta histórica ficará muito mais forte.
Por enquanto, porém, a matéria escura continua escondida.
O sinal registrado pelo LZ representa apenas uma pista. Mas é uma pista particularmente interessante porque surgiu justamente onde os pesquisadores esperavam encontrar algo novo.
Talvez 16 de junho de 2023 seja lembrado no futuro como o dia em que cientistas observaram diretamente a matéria escura pela primeira vez.
Ou talvez tenham encontrado algo que ninguém sequer sabia que deveria procurar.
