Internacional - Cientistas observam pela primeira vez interações de neutrinos solares com núcleos atómicos

A colaboração internacional LUX-ZEPLIN (LZ), da qual o Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC) é membro fundador, observou, pela primeira vez, interações de neutrinos solares com núcleos atómicos e alcançou os melhores limites de sempre na procura direta por matéria escura de baixa massa.

Estes resultados, disponíveis em preprint e submetidos para a revista científica Physical Review Letters, representam um marco histórico na física de partículas e abrem uma nova janela para o estudo do interior do Sol.

Após a análise do maior conjunto de dados alguma vez obtido por um detetor de matéria escura — 417 dias de operação efetiva, entre março de 2023 e abril de 2025 — a experiência LZ estabeleceu os limites mais restritivos conhecidos para partículas de matéria escura do tipo WIMPs (weakly interacting massive particles), em particular para massas inferiores a 9 GeV/c². Embora não tenham sido observados sinais diretos destas partículas, os novos resultados reforçam a posição da LZ como a experiência mais sensível do mundo para WIMPs com massas acima de 5 GeV/c².

«A existência e a natureza da matéria escura são questões fundamentais para a compreensão do Universo. Ainda não a conseguimos observar diretamente, mas estes resultados permitem-nos compreender melhor como poderá interagir com a matéria normal», afirma Isabel Lopes, professora da FCTUC e investigadora do LIP, que lidera o grupo português na colaboração LZ.

Em paralelo, a excecional sensibilidade do detetor permitiu observar, pela primeira vez, interações de neutrinos solares com núcleos atómicos, através do processo raro conhecido como espalhamento coerente elástico de neutrinos com o núcleo (CEvNS). Neste processo, observado pela primeira vez apenas em 2017 usando um elevado fluxo de neutrinos produzidos em reatores nucleares, um neutrino interage com todo o núcleo atómico, transferindo uma quantidade ínfima de energia.

LZ é a primeira experiência a observar este processo em neutrinos solares com uma significância de 4,5 sigma, acima do limite de 3 sigma tradicionalmente usado para considerar uma observação como “evidência”. As experiências PandaX-4T e XENONnT reportaram indícios deste processo no ano passado, mas com um nível de confiança inferior a 3 sigma. 

O novo resultado de LZ é assim a primeira “evidência” de um sinal de CEvNS de neutrinos extraterrestres. Esta não é a primeira vez que neutrinos provenientes do Sol são detetados neste laboratório. Nos anos 60 e 70, Raymond Davis Jr. e John Bahcall mediram, pela primeira vez, o fluxo de neutrinos solares com um detetor com 380 m3 nessa mesma caverna, agora conhecida como a “caverna Davis”. Este resultado valeu a Ray Davis o prémio Nobel da física de 2002.

«A novidade não é apenas a deteção de neutrinos solares, mas o mecanismo extremamente subtil pelo qual foram observados. Estamos a falar de apenas alguns fotões e eletrões por interação, o que demonstra a extraordinária sensibilidade do detetor LZ», sublinha Paulo Brás, investigador do LIP e vice-coordenador de física da colaboração LZ.

A experiência LZ é composta por cerca de 250 cientistas e engenheiros de 37 instituições dos Estados Unidos, Reino Unido, Portugal, Suíça, Austrália e Coreia do Sul. O detetor utiliza 10 toneladas de xénon líquido ultra-puro, operando a −98 °C, e está instalado a 1,5 km de profundidade no Sanford Underground Research Facility (SURF), no Dakota do Sul (EUA), para minimizar a interferência de radiação cósmica.

A colaboração LZ continuará a recolher dados até 2028, com o objetivo de atingir 1000 dias de aquisição, aprofundando a exploração de massas de WIMPs ainda mais baixas, processos exóticos raros e novos fenómenos fundamentais da física. Universidade de Coimbra – Portugal