Portugal - Cientistas da Universidade de Coimbra resolvem enigma relacionado com detetores aplicados ao estudo da natureza dos neutrinos e da matéria escura

Um grupo de cientistas da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC) resolveu um enigma que envolvia uma propriedade do xénon e de outros gases nobres, imprescindíveis para o estudo da natureza dos neutrinos e deteção da matéria escura.

A investigação, desenvolvida por Carlos Henriques, Cristina Monteiro e Joana Teixeira, investigadores do Laboratório de Instrumentação, Engenharia Biomédica e Física da Radiação (LIBPhys) do Departamento de Física da FCTUC, está publicada no "Journal of Cosmology and Astroparticle Physics".

«Até ao momento, o valor do rendimento de cintilação produzida na interação dos Raios-X e de eletrões no xénon não tinha sido determinada de uma forma exata. O seu valor era ambíguo e variava em quase 100%, nos diferentes estudos apresentados por grupos de investigação distintos. Para além disso, estes resultados pareciam mostrar uma dependência desse rendimento com a energia dos Raios-X e dos eletrões», explica Carlos Henriques. Cristina Monteiro complementa ainda que «esses valores eram bastante superiores aos determinados para a interação das partículas alfa, estes últimos mais consensuais, não havendo uma explicação teórica para tal diferença».

Este estudo, realizado na FCTUC, mostra inequivocamente que, afinal, o rendimento de cintilação produzido no xénon é independente da natureza da radiação incidente no gás (Raios-X, eletrões ou partículas alfa) e independente da sua energia, tal como previsto pela teoria.

«As discrepâncias encontradas em trabalhos anteriores são explicadas por incertezas nos respetivos métodos experimentais, por norma menos robustos.  Os resultados deste estudo podem ser extrapolados para outros gases nobres, como o krípton e o árgon», revelam os autores, concluindo que a medição precisa deste parâmetro tem um impacto relevante na análise dos sinais obtidos nos detetores de gases nobres, utilizados nos estudos sobre a natureza dos neutrinos e na deteção da matéria escura. Universidade de Coimbra - Portugal

Internacional - Estudo liderado pela Universidade de Coimbra apresenta novas pistas para detetar matéria escura

Uma equipa internacional, liderada por investigadores da Universidade de Coimbra (UC), estudou um novo tipo de emissão de cintilação que ocorre no gás xénon e que tem impacto nos detetores de matéria escura e de neutrinos.

O trabalho, acabado de publicar na prestigiada Physical Review X (PRX), revista da Sociedade Americana de Física, foi idealizado e realizado pelos investigadores Cristina Monteiro e Carlos Henriques, do Laboratório de Instrumentação, Engenharia Biomédica e Física da Radiação (LIBPhys) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC), no âmbito da colaboração internacional NEXT.

Este estudo, explica Cristina Monteiro, «revelou inequivocamente a existência da emissão de um tipo de cintilação no gás xénon até agora ignorada pelos cientistas. A dispersão de eletrões em átomos neutros no gás xénon dá origem a um novo tipo de emissão de luz que afetará a sensibilidade dos detetores da pesquisa de matéria escura e da física de neutrinos».

Quando a radiação ionizante interage com o xénon «são emitidas grandes quantidades de luz ultravioleta em comprimentos de onda específicos – uma "eletroluminescência" que é aproveitada em pesquisas de matéria escura e detetores de neutrinos», diz a investigadora da FCTUC. No entanto, esclarece, «os investigadores não estavam cientes da presença de outra emissão de luz, mais fraca, numa gama de comprimento de onda mais ampla, que se estende desde o ultravioleta até ao infravermelho próximo. Os cientistas explicavam os impulsos de luz correspondentes como sendo devido a impurezas no gás. Neste estudo mostramos que, em vez disso, esses impulsos correspondem a sinais de um novo tipo de luz emitida em xénon, causada pela dispersão de eletrões em átomos neutros».

Com esta descoberta, salienta Cristina Monteiro, «os cientistas agora sabem que descobrir matéria escura e observar neutrinos requer mais do que apenas purificar melhor o xénon dentro dos grandes sistemas de deteção. Os investigadores devem também separar a luz correspondente à radiação de travagem neutra para otimizar o design dos detetores e melhorar a sua sensibilidade».

Para chegar a esta conclusão, a equipa da FCTUC, que inclui ainda Joana Teixeira, aluna de doutoramento, realizou os estudos num sistema de laboratório de pequenas dimensões, expressamente concebido para esse fim, e também identificou essa luz, apelidada de radiação de travagem neutra, no detetor da experiência internacional NEXT, de grandes dimensões, um detetor de partículas alojado num laboratório subterrâneo em Espanha.

«Dado o pequeno tamanho do detetor utilizado no LIBPhys-UC, a pureza do gás xénon no seu interior é muito bem controlada. Além disso, permite isolar com precisão a emissão de cintilação de uma região específica do detetor e estudar essa emissão sob condições muito bem controladas, tanto quando a eletroluminescência ocorre como quando esta não ocorre. Isso permite aos investigadores observar e estudar a emissão de cintilação para além da eletroluminescência. Simultaneamente, um modelo teórico robusto para a designada radiação de travagem neutra descreve muito bem os resultados experimentais e permite atribuir, inequivocamente, o mecanismo de cintilação observado à radiação de travagem neutra», relata ainda Cristina Monteiro. Universidade de Coimbra - Portugal