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 - 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