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
