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

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 - 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

 

Internacional - Cientistas mostram que a experiência de matéria escura LZ é a mais sensível do mundo

A colaboração internacional LUX-ZEPLIN (LZ), que integra uma equipa do LIP-Coimbra (Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas, polo de Coimbra), sediado na Universidade de Coimbra (UC), acaba de apresentar os seus primeiros resultados científicos. Os investigadores mostram que, com apenas 60 dias de aquisição de dados, a LZ é a experiência de matéria escura mais sensível do mundo.

Isabel Lopes, investigadora principal do grupo do LIP que participa na experiência e professora do Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC), afirma que estes resultados, disponibilizados em https://lz.lbl.gov/, «são um passo determinante para a deteção das partículas de matéria escura».

As partículas de matéria escura, uma forma de matéria que não emite, absorve ou interage de qualquer forma com a luz, nunca foram detetadas – mas isso pode estar prestes a mudar, segundo os cientistas que integram esta colaboração internacional. A contagem decrescente para uma descoberta pode ter sido iniciada com estes resultados. «Planeamos adquirir cerca de 20 vezes mais dados nos próximos anos, por isso estamos só a começar. Há muita ciência para fazer e isso é muito excitante!», salienta Hugh Lippincott, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara e atual porta-voz da LZ.

 Várias observações científicas indicam que a matéria escura é um ingrediente fundamental para a receita do cosmos. Essas observações apontam para que esta matéria desconhecida contribua em 85% para o conteúdo total de matéria do universo, sendo assim cinco vezes mais comum do que a matéria com que interagimos no nosso dia-a-dia. Apesar de nunca ter sido observada diretamente, a sua influência gravitacional dita o movimento das grandes estruturas de matéria do universo e age como uma cola que mantém as galáxias coesas, alertando-nos indiretamente para a sua presença.

 O detetor da LZ é composto por 10 toneladas de xénon líquido ultrapuro contido num tanque de titânio e observado por 494 sensores de luz capazes de detetar a mais ínfima quantidade de luz. Se a matéria escura interagir com a matéria normal, mesmo que muito fracamente, então é possível que colida com um núcleo de xénon e produza nele um sinal de cintilação capaz de ser medido pelos sensores de luz.

Além de fornecer informação precisa acerca da posição e tipo de partícula que interage no seu alvo, o detetor da LZ é capaz de medir energias com grande exatidão. «É espantosa a precisão que é possível obter na determinação da energia», declara Guilherme Pereira, estudante de doutoramento da FCTUC que integra a equipa do LIP na LZ e que foi responsável pelos estudos que conduziram a essa elevada precisão, acrescentando que «fazer o doutoramento nesta equipa tem sido uma experiência extremamente estimulante».

 A experiência LZ foi instalada a uma profundidade de 1.5 quilómetros, numa antiga mina de ouro convertida em laboratório (Sanford Lab), para proteger o detetor da radiação cósmica que chega à superfície da Terra. A colaboração é constituída por 250 cientistas e engenheiros de mais de 35 instituições dos EUA, Reino Unido, Portugal e Coreia do Sul. A equipa portuguesa é composta por investigadores e estudantes de doutoramento e mestrado do LIP, que é um membro fundador da colaboração LZ.

A equipa do LIP deu numerosas contribuições fundamentais para a experiência LZ. Entre elas, «o desenvolvimento e implementação do sistema de controlo do detetor – o sistema nevrálgico da experiência – e do sistema que permite monitorizar em tempo real os dados adquiridos pela LZ. Também desenvolveu ferramentas avançadas fundamentais para a análise e processamento de dados e liderou os estudos de decaimentos raros de xénon que estão entre os eventos mais raros do universo», relata Isabel Lopes.

A participação do LIP na experiência LZ é financiada pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT). A LZ é financiada pelo Department of Energy (DOE) dos Estados Unidos, pelo Science & Technology Facilities Council do Reino Unido, pelo Institute for Basic Science da Coreia do Sul e pelas instituições colaboradoras. 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