Cientistas da colaboração internacional XENON, um grupo experimental internacional, incluindo o Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU), Universidade de Tóquio; o Instituto de Pesquisa de Raios Cósmicos (ICRR), Universidade de Tóquio; o Instituto de Pesquisa Ambiental do Espaço-Terra (ISEE), Universidade de Nagoya; o Instituto Kobayashi-Maskawa para a Origem das Partículas e do Universo (KMI), Universidade de Nagoya; e a Escola de Pós-Graduação em Ciências, Universidade de Kobe, anunciaram hoje que os dados de seu XENON1T, o experimento de matéria escura mais sensível do mundo, mostram um surpreendente excesso de eventos. Os cientistas não afirmam ter encontrado matéria escura. Em vez de, eles observaram uma taxa inesperada de eventos, cuja fonte ainda não é totalmente compreendida. A assinatura do excesso é semelhante ao que pode resultar de uma pequena quantidade residual de trítio (um átomo de hidrogênio com um próton e dois nêutrons), mas também pode ser um sinal de algo mais excitante - como a existência de uma nova partícula conhecida como axion solar ou a indicação de propriedades até então desconhecidas dos neutrinos.

O XENON1T foi operado no subsolo no INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, na Itália, de 2016 a 2018. Foi projetado principalmente para detectar matéria escura, que representa 85% da matéria do universo. Até aqui, cientistas observaram apenas evidências indiretas de matéria escura, e um definitivo, a detecção direta ainda não foi feita. Os chamados WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) estão entre os candidatos teoricamente preferidos, e XENON1T até agora definiu o melhor limite em sua probabilidade de interação em uma ampla faixa de massas WIMP. Além da matéria escura WIMP, O XENON1T também era sensível a diferentes tipos de novas partículas e interações que poderiam explicar outras questões em aberto na física. Ano passado, usando o mesmo detector, esses cientistas publicaram em Natureza a observação da mais rara decadência nuclear já medida diretamente.

O detector XENON1T foi preenchido com 3,2 toneladas de xenônio liquefeito ultra-puro, 2,0 t dos quais serviram como um alvo para interações de partículas. Quando uma partícula cruza o alvo, pode gerar pequenos sinais de luz e elétrons livres de um átomo de xenônio. A maioria dessas interações ocorre a partir de partículas que existem. Os cientistas, portanto, estimaram cuidadosamente o número de eventos de fundo no XENON1T. Quando os dados de XENON1T foram comparados a origens conhecidas, um surpreendente excesso de 53 eventos sobre os 232 eventos esperados foi observado.

Isso levanta uma questão interessante:de onde vem esse excesso?

Uma explicação pode ser nova, fonte de fundo anteriormente não considerada, causada pela presença de pequenas quantidades de trítio no detector XENON1T. Tritium, um isótopo radioativo de hidrogênio, decai espontaneamente ao emitir um elétron com energia semelhante à observada. Apenas alguns átomos de trítio para cada 10 ²⁵ (10, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000!) Átomos de xenônio seriam necessários para explicar o excesso. Atualmente, não há medições independentes que podem confirmar ou refutar a presença de trítio nesse nível no detector, portanto, uma resposta definitiva a essa explicação ainda não é possível.

Mais empolgante, outra explicação poderia ser a existência de uma nova partícula. Na verdade, o excesso observado tem um espectro de energia semelhante ao esperado dos áxions produzidos no sol. Axions são partículas hipotéticas que foram propostas para preservar uma simetria de reversão no tempo da força nuclear, e o Sol pode ser uma fonte forte deles. Embora esses axions solares não sejam candidatos à matéria escura, sua detecção marcaria a primeira observação de uma classe de novas partículas bem motivada, mas nunca observada, com um grande impacto em nossa compreensão da física fundamental, mas também em fenômenos astrofísicos. Além disso, axions produzidos no início do universo também podem ser a fonte de matéria escura.

Alternativamente, o excesso também pode ser devido a neutrinos, trilhões dos quais passam pelo seu corpo, desimpedido, todo segundo. Uma explicação poderia ser que o momento magnético (uma propriedade de todas as partículas) dos neutrinos é maior do que seu valor no Modelo Padrão de partículas elementares. Isso seria um forte indício para alguma outra nova física necessária para explicá-lo.

Das três explicações consideradas pela colaboração XENON, o excesso observado é mais consistente com um sinal de axion solar. Em termos estatísticos, a hipótese do axião solar tem uma significância de 3,5 sigma, o que significa que há cerca de 2/10, 000 chance de que o excesso observado seja devido a uma flutuação aleatória, e não a um sinal. Embora essa significância seja bastante alta, não é grande o suficiente para concluir que existem axions. O significado das hipóteses de momento magnético de trítio e neutrino corresponde a 3,2 sigma, o que significa que eles também são consistentes com os dados.

O XENON1T está agora atualizando para sua próxima fase - XENONnT - com uma massa de xenônio ativa três vezes maior e um fundo que se espera seja menor do que o do XENON1T. Com melhores dados do XENONnT, a colaboração XENON está confiante de que em breve descobrirá se esse excesso é um mero acaso estatístico, um contaminante de fundo, ou algo muito mais excitante:uma nova partícula ou interação que vai além da física conhecida.