Físicos de todo o mundo têm se dedicado intensamente à detecção de partículas de matéria escura (DM). Estas partículas, que não emitem, refletem ou absorvem luz, representam um desafio significativo para a observação, especialmente quando utilizamos métodos experimentais convencionais.
Recentemente, uma abordagem inovadora foi proposta por pesquisadores de instituições renomadas: TRIUMF, Universidade de Minnesota, Universidade da Califórnia Berkeley e Universidade de Stanford. Publicada na prestigiada revista Physical Review Letters, esta nova metodologia visa detectar sinais que indicam a aniquilação da matéria escura em matéria visível, utilizando para isso grandes detectores de neutrinos.
Anupam Ray, um dos pesquisadores envolvidos no estudo, destacou a peculiaridade das partículas de DM que são capturadas pela Terra através de colisões com seus constituintes. Ele mencionou que “a densidade dessas partículas de DM terrestres que interagem fortemente com a matéria bariônica ordinária pode ser surpreendentemente alta, quase 15 ordens de magnitude maior que a densidade de DM galáctica, que é de aproximadamente 0,3 GeV/cm3.”
Diante desse cenário, surge uma questão fundamental: como detectar essas partículas de DM que são tão abundantes no volume da Terra? Ray explica que, devido à sua baixa energia cinética (cerca de 0,03 eV), a detecção dessas partículas em experimentos de detecção direta tradicionais é quase impossível. Esses experimentos não são sensíveis a uma deposição de energia tão baixa, o que levou a equipe a pensar em novas maneiras de detectar tais partículas.
Em vez de buscar sinais que indicassem a dispersão de partículas de DM, como a maioria dos esforços de detecção direta até agora, Ray e sua equipe sugeriram observar seus sinais de aniquilação. Estes são sinais que ocorrem quando as partículas de DM são aniquiladas, ou seja, quando colidem com outras partículas e são obliteradas, liberando energia no processo.
Uma característica distintiva dos sinais de aniquilação é que eles não estão limitados a pequenas quantidades de energia cinética. Isso significa que eles poderiam ser potencialmente mais fáceis de identificar e detectar. Considerando que se teoriza que as partículas de DM terrestres são abundantes, os pesquisadores sugeriram procurá-las observando sinais de sua aniquilação em detectores de neutrinos de grande volume, como o Super-Kamiokande. Este é um detector Cherenkov de grande escala localizado sob o Monte Ikeno, no Japão, utilizado para estudar neutrinos originários de diversas fontes, como o sol, supernovas e a atmosfera.
Ray elucidou que “partículas de DM terrestres que interagem fortemente com a matéria bariônica ordinária estão abundantemente presentes em qualquer detector de neutrinos de grande volume, como o Super-Kamiokande. Se elas se aniquilarem dentro do volume fiducial do Super-Kamiokande, isso poderia induzir assinaturas observáveis. O Super-K pode facilmente buscar esses produtos de aniquilação, e a partir dessas buscas, poderíamos obter uma sensibilidade sem precedentes aos parâmetros de DM.”
O trabalho recente desta equipe introduz um método que poderia ajudar a sondar partículas de DM terrestres que interagem fortemente, as quais são teorizadas como sendo altamente abundantes, mas até agora têm sido muito difíceis de observar. Mesmo que essas partículas específicas representem apenas uma pequena fração da densidade de DM atual, este novo método poderia ser extremamente eficaz, contribuindo significativamente para a busca contínua por DM.
Ray concluiu, expressando o desejo da equipe de explorar as assinaturas de neutrinos provenientes de DM terrestres que interagem fortemente. Ele mencionou que “neste estudo, não somos sensíveis a uma massa de DM relativamente pesada (por exemplo, massa de DM de 10 GeV ou mais). À medida que o DM se torna mais pesado, eles se concentram no centro da Terra, e como consequência, sua densidade numérica dentro do volume do Super-Kamiokande é significativamente reduzida, resultando em um sinal negligenciável. No entanto, usando o sinal de neutrino, temos esperança de sondar o espaço de parâmetros de DM pesado.”
Em resumo, a busca pela compreensão e detecção da matéria escura é uma das fronteiras mais emocionantes da física atual. A abordagem proposta por Ray e sua equipe representa um avanço promissor nesse campo, abrindo novas possibilidades para a detecção e estudo dessas partículas enigmáticas.
Fonte:
https://phys.org/news/2023-07-method-strongly-interacting-dark-neutrino.html
