p Quase 20 anos atrás, o experimento DAMA / LIBRA no Laboratório Nacional Gran Sasso da Itália - o LNGS começou a publicar dados mostrando que havia detectado uma modulação de sinal produzida por uma interação com o halo de matéria escura da Via Láctea. p Acredita-se que a matéria escura constitua aproximadamente 27 por cento do universo conhecido, com a matéria comum respondendo por apenas 4%. Acredita-se que os 69% restantes sejam compostos de energia escura. Porque a matéria escura interage fracamente com a matéria normal, sua presença até agora foi inferida apenas de efeitos gravitacionais em corpos visíveis, como estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias.

p De acordo com o modelo mais amplamente aceito, o movimento combinado da Terra, o sol e a própria galáxia resultam em um vento de matéria escura para um observador na Terra - mais especificamente, um vento de partículas massivas de interação fraca ou WIMPs, partículas hipotéticas que se pensa constituírem matéria escura.

p Durante a órbita anual da Terra em torno do Sol, os sinais da interação do detector com os WIMPs aumentam quando o planeta se move na direção oposta ao vento e diminuem quando os dois estão se movendo na mesma direção. A flutuação tem uma forma de cosseno.

p O pessoal do DAMA / LIBRA afirma que detectou sinais a taxas que variam de acordo com uma onda de cosseno durante o ano e que correspondem a uma assinatura de matéria escura. O problema é que nenhuma assinatura desse tipo foi confirmada por qualquer outro experimento desde que foi anunciado pela primeira vez. Deve-se ressaltar que outros experimentos utilizam diferentes materiais e técnicas analíticas.

p Para verificar a discrepância entre os dados do DAMA / LIBRA e os dados de outros experimentos e procurar evidências robustas de matéria escura, O COSINE-100 foi construído a 700 metros de profundidade no Laboratório Subterrâneo de Yangyang — Y2L na Coreia do Sul.

p Um artigo apresentando os resultados dos primeiros 59,5 dias de dados da COSINE-100 foi publicado em dezembro de 2018 na revista. Natureza .

p Nelson Carlin Filho, Professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP) e dois orientandos constituem a participação brasileira na colaboração internacional COSINE-100. “Os resultados dos primeiros 59,5 dias do COSINE-100 não confirmaram os dados do DAMA / LIBRA. Os resultados obtidos não correspondem a uma assinatura de WIMPs, "disse ele. Carlin enfatizou que este achado negativo é particularmente importante porque tanto o DAMA / LIBRA quanto o COSINE-100 usam detectores feitos de cristais de iodeto de sódio (Nal)." É o primeiro achado publicado para um detector que compreende este material com tamanho e sensibilidade suficientes para investigar a região do sinal DAMA / LIBRA, " ele disse.

p "Não estamos dizendo que os pesquisadores do DAMA / LIBRA estavam errados. Eles podem ter capturado uma modulação periódica em sinais reais. No entanto, a menos que o modelo de matéria escura seja significativamente modificado, os sinais são altamente improváveis ​​de serem atribuídos a interações com WIMPs. Em qualquer evento, nosso trabalho está apenas começando. Vários anos de dados serão necessários antes que a modulação anual reivindicada pelo DAMA / LIBRA possa ser totalmente confirmada ou refutada. "

p O detector COSINE-100 é composto por oito cristais de iodeto de sódio dopados com tálio com massa total de 106 kg. Cada cristal é acoplado a dois tubos fotomultiplicadores para medir a quantidade de energia depositada no cristal. Todo o array está imerso em 2, 200 litros de cintilador líquido e rodeado por cobre, painéis cintiladores de chumbo e plástico.

p O objetivo de toda essa blindagem - bem como da decisão de instalar o detector 700 metros no subsolo - é reduzir os distúrbios causados ​​pelos raios cósmicos (múons), radiação cósmica de fundo (fótons remanescentes do universo primordial, detectado na banda de microondas), e partículas emitidas pelos materiais de que o detector é feito.

p "A probabilidade de observar as interações entre as partículas de matéria escura e o material detector é pequena. Além da blindagem, é importante analisar a forma dos sinais para descartar contribuições de fundo, "Carlin disse.

p Com base em um tratamento estatístico altamente sofisticado usando o modelo padrão para o halo de matéria escura, com simulações de Monte Carlo e outros recursos, COSINE-100 definiu uma curva considerada o "limite de exclusão" para interações entre WIMPs e os núcleos no material detector.

p Este limite corroborou e ajustou os limites estabelecidos por experimentos anteriores. A curva foi traçada usando um sistema de coordenadas cartesianas bidimensional. As seções transversais de espalhamento do núcleo WIMP são mostradas no eixo Y, representando de forma simplista a probabilidade de interações, enquanto a massa WIMP é mostrada no eixo X.

p Qualquer evento cujas coordenadas podem ser plotadas abaixo do limite de exclusão é uma interação WIMP-nucleon candidata. Qualquer evento situado acima dele deixa de atender às condições necessárias para uma interação de acordo com o modelo.

p "Os sinais DAMA / LIBRA estão acima do limite de exclusão. Observe que, além de usar detectores feitos do mesmo material que DAMA / LIBRA [cristais de iodeto de sódio], A COSINE-100 também usou técnicas de seleção de eventos semelhantes. Isso minimizou as discrepâncias nos resultados devido às diferenças nos experimentos. Não encontramos matéria escura e descobrimos que as medições DAMA / LIBRA não são consistentes com o modelo padrão para o halo de matéria escura, "Carlin disse.

p Teorias sobre matéria escura

p Agora existe um amplo consenso na comunidade científica de que a matéria escura existe. A primeira evidência foi encontrada em 1933 em estudos de velocidades de rotação galáctica pelo astrônomo suíço Fritz Zwicky (1898-1974).

p Zwicky percebeu que as velocidades de rotação galáctica eram mais rápidas do que deveriam de acordo com a massa luminosa observada e propôs que a contribuição gravitacional de outro tipo de matéria, que ele chamou de "dunkle materie" ("matéria escura" em alemão), deve estar afetando essas velocidades.

p Na década de 1970, A astrônoma americana Vera Rubin (1928-2016) confirmou a hipótese de Zwicky em um estudo sistemático das velocidades de rotação galáctica. Cálculos rigorosos de Rubin, confirmado por pesquisas subsequentes, mostrou que as galáxias em questão devem conter pelo menos cinco a 10 vezes mais matéria escura do que matéria normal.

p Hoje, com base em velocidades de rotação galáctica e outras evidências, como lentes gravitacionais, proposto pela primeira vez por Einstein, e a radiação de fundo de microondas, as proporções aceitas para a composição do universo são de aproximadamente 4 por cento de matéria normal, 27 por cento de matéria escura e 69 por cento de energia escura.

p Se a existência de matéria escura é amplamente aceita; a questão agora é determinar do que é feito. O modelo baseado em WIMP ainda é o modelo mais amplamente aceito. Acredita-se que essas partículas interajam com a matéria normal apenas por meio da gravidade e da força nuclear fraca. É provavelmente por isso que eles não foram detectados de forma consistente. A falha em detectar WIMPs levou os cientistas a propor alternativas como axions e fótons escuros.

p "Não há nada que impeça a matéria escura de ser composta de vários elementos diferentes, - disse Carlin. - Resta muito trabalho a ser feito. No nosso caso, A COSINE-100 ainda está dando seus primeiros passos. O próximo passo, o que é muito importante, é tentar reproduzir a modulação anual ou provar que ela não pode ser reproduzida. Na verdade, isso está em andamento agora. Também estamos preparando a fase dois do experimento, COSINE-200, com 200 kg de cristais, a ser instalado em um local diferente na Coreia do Sul. "