Os resultados experimentais do detector de matéria escura XENON1T limitam o tamanho efetivo das partículas de matéria escura a 4,1 x 10-47 centímetros quadrados - um trilionésimo de um trilionésimo de um centímetro ao quadrado - o limite mais rigoroso já determinado para a matéria escura, conforme estabelecido pelo mundo detector mais sensível.

Os resultados, apresentado segunda-feira em um seminário na Itália no Laboratório Subterrâneo Gran Sasso (LNGS), foram produzidos usando um volume alvo ativo de 1, 300 quilos de xenônio, a primeira pesquisa de matéria escura que monitorou o equivalente a uma tonelada de xenônio por um ano inteiro.

"Agora temos o limite mais apertado para o que é conhecido como 'seção transversal WIMP-nucleon, 'que é uma medida do tamanho efetivo da matéria escura, ou quão fortemente ele interage com a matéria normal, "disse Ethan Brown, um membro da Colaboração XENON, e professor assistente de física, física aplicada, e astronomia no Rensselaer Polytechnic Institute. "Com esses resultados, agora testamos muitos novos modelos teóricos de matéria escura e colocamos as mais fortes restrições nesses modelos até agora. "

A matéria escura é teorizada como um dos constituintes básicos do universo, cinco vezes mais abundante do que a matéria comum. Mas porque as partículas de matéria escura conhecidas como "partículas massivas de interação fraca, "ou" WIMPs, "não podem ser vistos e raramente interagem com a matéria comum, sua existência nunca foi confirmada.

Várias medições astronômicas corroboraram a existência de matéria escura, levando a um esforço mundial para observar diretamente as interações das partículas de matéria escura com a matéria comum. Até o presente, as interações se mostraram tão fracas que escaparam da detecção direta, forçando os cientistas a construir detectores cada vez mais sensíveis.

Desde 2002, a Colaboração XENON, incorporando 165 cientistas de 12 países, operou três detectores de xenônio líquido sucessivamente mais sensíveis em LNGS na Itália, e o XENON1T é seu empreendimento mais poderoso até o momento e o maior detector desse tipo já construído. As interações de partículas no xenônio líquido criam minúsculos flashes de luz, e o detector se destina a capturar o flash da rara ocasião em que uma partícula de matéria escura colide com um núcleo de xenônio.

Os resultados analisam 279 dias de dados, de acordo com Elena Aprile, professor da Columbia University e líder do projeto. Durante esse tempo, apenas dois eventos de fundo eram esperados no íntimo, região mais limpa do detector. Contudo, nenhum evento foi detectado, sugerindo que as partículas de matéria escura devem ser ainda menores do que se pensava. Uma parte da análise de dados foi realizada em Rensselaer, enquanto cientistas de institutos colaboradores em todo o mundo se reuniam no Instituto no final de 2018 para revisar dados e finalizar rotinas de análise que eliminariam informações irrelevantes dos dados coletados.

A sensibilidade do detector é função de seu tamanho e de seu "silêncio". Embora as interações de matéria escura sejam raras, as interações com outras formas de matéria são comuns, e um detector sensível é projetado para minimizar essas interações. Para protegê-lo da radioatividade natural na caverna, o detector (a chamada Câmara de Projeção de Tempo de Xenônio Líquido) fica dentro de um criostato submerso em um tanque de água. Uma montanha acima do laboratório subterrâneo protege ainda mais o detector dos raios cósmicos.

Mesmo com a proteção do mundo exterior, contaminantes se infiltram no xenônio a partir dos materiais usados ​​no próprio detector e, entre suas contribuições, Brown é responsável por um sofisticado sistema de purificação que limpa continuamente o xenônio no detector. Conforme o tamanho dos detectores cresceu, assim como a complexidade do sistema de purificação - não só há mais xenônio para limpar, mas deve ser mantido mais limpo para que a luz e a carga possam se mover através do maior volume do detector. Na fase atual, Brown disse que sua equipe "escalou, adicionar mais bombas e mais purificadores "ao sistema.

"Nosso trabalho manteve um alto nível de pureza para a maior quantidade de xenônio durante o maior período de tempo de todos os tempos, "disse Brown." É uma realização que permite que outros experimentos se baseiem no desempenho deste sistema de purificação. "

Na próxima fase, Brown apresentará uma nova solução, uma bomba recém-projetada construída com peças ultra limpas em seu laboratório em Rensselaer em colaboração com pesquisadores em Stanford e na Universidade Muenster, na Alemanha. Onde as bombas atuais contribuem com um terço a metade do radônio total no experimento, as novas bombas serão essencialmente livres de radônio, removendo uma das maiores contribuições para o fundo.