Portugal - Avanço tecnológico cria condições inéditas para a deteção de eventos ultra-raros

Uma equipa de cientistas do Laboratório de Instrumentação, Engenharia Biomédica e Física da Radiação (LIBPhys) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC) conseguiu a melhor purificação do isótopo radioativo 222 de Radão (222Rn) da história, reduzindo a sua concentração a 430 átomos por tonelada de alvo de xénon líquido, um valor 5 vezes inferior ao obtido por outras experiências que usam a mesma tecnologia.

Este resultado histórico, obtido no âmbito da experiência internacional XENONnT, um sistema com um nível de sensibilidade sem precedentes na deteção de matéria escura, está publicado na prestigiada revista Physical Review X.

O XENONnT foi construído para a deteção direta de matéria escura. Está instalado no laboratório subterrâneo de Gran Sasso, em Itália, debaixo de 1300 metros de rocha, para reduzir os níveis de radiação cósmica drasticamente em relação aos que existem à superfície do nosso planeta. Este sistema usa como alvo seis toneladas de xénon ultra-purificado.

Como explica José Matias-Lopes, coordenador da equipa portuguesa, «uma radiação ao passar pelo alvo pode produzir, em geral, sinais ínfimos de luz e carga. A esmagadora maioria destes sinais (mais de 99,99%) devem-se a radiações de origem conhecida, o que permite aos cientistas calcular com grande precisão o número de eventos esperados».

O requisito mais importante para medir eventos tão raros como os dos neutrinos e da matéria escura é que o alvo tenha o nível mais baixo possível de radiação (radiação de fundo), para que possa distinguir o que se pretende medir. Para conseguir alcançar tal meta, tecnicamente tão exigente, todos os tipos de fontes de radiação contam, incluindo até a presente no próprio alvo de xénon e a que provém dos materiais de que é construído o sistema de deteção (XENONnT).

De acordo com o investigador do Departamento de Física da FCTUC, para lidar com a mais limitativa de todas, a colaboração XENONnT conseguiu reduzir o nível de contaminação do isótopo 222Rn para níveis sem precedentes graças a uma coluna de destilação com um sistema inovador de bomba de calor criogénica, especialmente desenvolvida para o efeito pelos especialistas envolvidos. «Todos os materiais usados no XENONnT foram cuidadosamente selecionados (até o mais pequeno dos parafusos) para terem o mais baixo nível possível de radiação», revela o cientista.

O XENONnT tem como alvo o local do planeta Terra com a menor radiação de fundo de toda a história da Humanidade, dando, assim, início a uma nova era na direção da matéria escura, por iniciar a deteção do nevoeiro de neutrinos, onde coexistem com a matéria escura, que, por serem quase indistinguíveis, dificulta a sua deteção.

Por outro lado, o nível extraordinariamente baixo de radiação alcançado neste sistema também permite estudar um grande número de fenómenos particularmente raros, tais como a interação de matéria escura na forma de axiões solares, de partículas análogas aos axiões, neutrinos com momento magnético anómalo e a deteção por dispersão elástica coerente neutrino-núcleo (CEvNS, sigla em inglês).

«Através destas condições, o XENONnT reafirma o seu lugar como o melhor observatório de partículas espaciais de baixa energia, uma vez que poderá realizar medições de neutrinos com alta precisão e pesquisas de eventos extremamente raros, como o duplo decaimento beta dos isótopos 124 e 126 de Xénon. Para além disso, poderá continuar a testar a existência de um número alargado de candidatos de matéria escura, incluindo as partículas massivas de interação muito fraca (WIMPs, sigla em inglês), até ao limite do nevoeiro de neutrinos», conclui. Universidade de Coimbra - Portugal

Internacional - Cientistas confirmam pela primeira vez neutrinos vindos do interior do Sol com detetor de matéria escura

Uma equipa de cientistas do Laboratório de Instrumentação, Engenharia Biomédica e Física da Radiação (LIBPhys) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC), enquanto participantes na experiência internacional XENON, registaram pela primeira vez na história neutrinos com origem no interior do Sol por dispersão elástica coerente neutrino-núcleo (CEvNS, sigla em inglês). 

Este resultado histórico foi obtido pelo XENONnT, um sistema com um nível de sensibilidade na deteção de matéria escura sem precedentes, e está publicado na prestigiada revista Physical Review Letters, destacado como sugestão do editor. 

O XENONnT foi construído para a deteção direta de matéria escura. Está instalado no laboratório subterrâneo de Gran Sasso, em Itália, debaixo de 1300 metros de rocha, para reduzir os níveis de radiação cósmica drasticamente em relação aos que existem à superfície do nosso planeta. Os resultados anunciados resultam da análise dos dados adquiridos durante dois anos, de julho de 2021 a agosto de 2023.

Este sistema usa como alvo seis toneladas de xénon ultra-purificado. «Uma radiação ao passar pelo alvo pode gerar, em geral, sinais ínfimos de luz e carga. A esmagadora maioria destes sinais (mais de 99,99%) devem-se a radiações de origem conhecida, o que permite aos cientistas calcular com grande precisão o número de eventos esperados», diz José Matias-Lopes, investigador do LIBPhys da FCTUC e coordenador da equipa portuguesa. 

Para medir eventos tão raros como os dos neutrinos e da matéria escura o requisito mais importante é que o alvo tenha o nível mais baixo possível de radiação (radiação de fundo), para que possa distinguir o que se pretende medir. Para conseguir alcançar tal meta tecnicamente tão exigente, todos os tipos de fontes de radiação contam, a presente no próprio alvo de xénon e a que provém dos materiais de que é construído o XENONnT. 

«Para lidar com a mais difícil de todas, a primeira, a colaboração XENON conseguiu reduzir o nível de contaminação com o elemento radão para níveis sem precedentes graças a uma coluna de destilação com 5,5 metros de altura, especialmente desenvolvida para o efeito por esta colaboração», explica o investigador, acrescentando que «todos os materiais usados no XENONnT foram cuidadosamente selecionados (até o mais pequeno dos parafusos) para terem o mais baixo nível possível de radiação». 

O alvo do XENONnT é o local do planeta Terra com a menor radiação de fundo de toda a história da Humanidade, permitindo levar a cabo estudos de um grande número de fenómenos particularmente raros tais como a interação de axiões solares, de neutrinos com momento magnético anómalo, de partículas análogas aos axiões, entre outros.

Embora prevista desde 1974, a CEvNS dos neutrinos solares foi um enorme desafio de deteção, não só pela extrema dificuldade em registar este tipo de partículas, mas também pelas muito baixas energias depositadas aquando a sua interação num detetor. Só em 2017 foi possível fazer a primeira medida deste tipo de interação, embora com neutrinos de energia muito mais alta provenientes de um acelerador em Oak Ridge (Tennessee, EUA). 

Agora, e pela primeira vez, o XENONnT consegue medir os neutrinos solares pela CEvNS num alvo de xénon, juntando-se à lista de famosas experiências concebidas expressamente para o registo de neutrinos solares (por outros canais de interação). O ultrabaixo nível de radiação de fundo deste sistema de deteção aliado à sua capacidade para detetar energias muito baixas permitiu este feito científico. 

«A medida foi obtida com 2,72 desvios padrões de confiança o que significa que há uma certeza de 99,65% no sinal registado ser de neutrinos solares resultantes de reações nucleares de Boro-8. É a primeira vez que se mede este tipo de neutrinos provenientes de uma fonte extraterrestre», revela. 

«Estes resultados dão início a uma nova era na senda da matéria escura ao iniciar a deteção do denominado nevoeiro de neutrinos, onde estes coexistem com a matéria escura, que por serem quase indistinguíveis dificulta a deteção deste último tipo de partículas. Por certo outras experiências de deteção de matéria escura estarão também em vias de obter a mesma confirmação, como já aconteceu com a chinesa PandaX-4, mas com menor significado estatístico», conclui. Universidade de Coimbra - Portugal

Internacional - Primeiros resultados do XENONnT na procura de matéria escura no Universo

Uma colaboração internacional denominada XENON, que tem a participação de quatro cientistas do LIBPhys da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC), anunciou hoje à comunidade científica os primeiros resultados obtidos pelo XENONnT, um sistema com um nível de sensibilidade na deteção de matéria escura sem precedentes.

Há dois anos, a colaboração XENON anunciou a observação de um excesso de eventos inesperados, o que poderia indicar a descoberta de novas partículas, com o seu sistema em operação na altura, o XENON1T. O entusiasmo criado por este facto levou a uma forte vaga de publicações científicas. Seria necessário dispor de um sistema mais sensível para esclarecer a natureza destes eventos.

O XENONnT foi então construído, tal como o seu predecessor (XENON1T), no laboratório subterrâneo de Gran Sasso, em Itália, debaixo de 1300 metros de rocha. A fase final da sua construção e a sua certificação decorreram já durante a pandemia. Os resultados hoje publicados resultam de 97 dias de medidas efetuadas entre julho e novembro de 2021.

Este novo sistema usa como alvo seis toneladas de xénon ultra-purificado. «Uma radiação ao passar pelo alvo pode gerar, em geral, sinais ínfimos de luz e carga. A esmagadora maioria destes sinais (mais de 99,9%) devem-se a radiações de origem conhecida, o que permite aos cientistas calcular com grande precisão o número de eventos esperados», diz José Matias-Lopes, coordenador da equipa portuguesa e investigador do Laboratório de Instrumentação, Engenharia Biomédica e Física da Radiação (LIBPhys) da FCTUC.

Para medir eventos tão raros como os da matéria escura, o requisito mais importante é que o alvo tenha o nível mais baixo possível de radiação (radiação de fundo), para que possa distinguir o que se pretende medir, «é muito mais difícil do que “encontrar uma agulha não num, mas em mil palheiros”», ilustra José Matias-Lopes.

O investigador explica que, para conseguir alcançar tal meta tecnicamente tão exigente, todos os tipos de fontes de radiação contam: «a presente no próprio alvo de xénon e a que provém dos materiais de que é construído o XENONnT. Para lidar com a mais difícil de todas, a primeira, a colaboração XENON conseguiu reduzir o nível de contaminação com o elemento radão para níveis sem precedentes, graças a uma coluna de destilação com 5,5 metros de altura especialmente desenvolvida para o efeito. Todos os materiais usados no XENONnT foram cuidadosamente selecionados (até o mais pequeno dos parafusos) para terem o mais baixo nível possível de radiação».

Com todos estes esforços conseguiu-se, com o XENONnT, reduzir para um quinto o nível da radiação de fundo em relação ao já extraordinário valor do seu antecessor XENON1T. O alvo do XENONnT é o local do planeta Terra com a menor radiação de fundo de toda a história, permitindo levar a cabo estudos de um grande número de fenómenos particularmente raros, tais como a interação de axiões solares, de neutrinos com momento magnético anómalo, de partículas análogas aos axiões, etc.

Os primeiros resultados agora tornados públicos focam-se nas interações da matéria escura com os eletrões dos átomos de xénon do alvo, a fim de verificar o resultado obtido em 2020 e a natureza do excesso de eventos. «Conclui-se que tal não corresponde à descoberta de novas partículas, mas a um nível ínfimo de átomos de trítio, uma das hipóteses então aventadas», explica coordenador da equipa portuguesa, frisando que, com os presentes resultados, «estabelecem-se novos recordes de sensibilidade nestes novos campos de estudo da física de astropartículas. Avizinham-se, por isso, tempos de grandes avanços e de descobertas que levam a largos passos em frente no conhecimento da Humanidade nestes aspetos fundamentais da composição do Universo».

Os mesmos dados e os que têm sido adquiridos desde então (novembro de 2021) estão, entretanto, a ser analisados em relação à interação de partículas massivas de muito fraca interação (WIMPs em inglês), um dos mais promissores candidatos para a esquiva matéria escura.

O consórcio XENON é constituído por 170 cientistas de 28 grupos de investigação dos EUA, Alemanha, Portugal, Suíça, França, Holanda, Suécia, Japão, Israel e Abu Dhabi. Portugal é parceiro desta colaboração desde o seu início, em 2005, através da equipa do LIBPhys da Universidade de Coimbra, que foi financiada pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) desde o seu início e até 2021. Universidade de Coimbra - Portugal