Situado a uma milha abaixo do solo em uma mina de ouro abandonada em Dakota do Sul, há um cilindro gigantesco contendo 10 toneladas de xenônio líquido purificado, observado de perto por mais de 250 cientistas em todo o mundo. Esse tanque de xenônio é o coração do experimento LUX-ZEPLIN (LZ), um esforço para detectar a matéria escura – a misteriosa substância invisível que compõe 85% da matéria do universo.
"As pessoas procuram matéria escura há mais de 30 anos, e ninguém teve uma detecção convincente ainda", disse Dan Akerib, professor de física de partículas e astrofísica do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia (DOE). Mas com a ajuda de cientistas, engenheiros e pesquisadores de todo o mundo, Akerib e seus colegas fizeram do experimento LZ um dos detectores de partículas mais sensíveis do planeta.

Para chegar a esse ponto, os pesquisadores do SLAC se basearam em sua experiência em trabalhar com nobres líquidos – as formas líquidas de gases nobres como o xenônio – incluindo o avanço das tecnologias usadas para purificar os próprios nobres líquidos e os sistemas para detectar interações raras de matéria escura nesses líquidos. E, disse Akerib, o que os pesquisadores aprenderam ajudará não apenas na busca por matéria escura, mas também em outros experimentos que buscam processos raros de física de partículas.

“Esses são mistérios realmente profundos da natureza, e essa confluência de entender o muito grande e o muito pequeno ao mesmo tempo é muito emocionante”, disse Akerib. "É possível que possamos aprender algo completamente novo sobre a natureza."

Procurando matéria escura no subsolo

Um candidato líder atual para a matéria escura são as partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs. No entanto, como a sigla sugere, os WIMPs mal interagem com a matéria comum, tornando-os muito difíceis de detectar, apesar de teoricamente muitos deles passarem por nós o tempo todo.

Para lidar com esse desafio, o experimento LZ foi primeiro no subsolo na antiga mina de ouro Homestake, que agora é o Sanford Underground Research Facility (SURF) em Lead, Dakota do Sul. Lá, o experimento está bem protegido do constante bombardeio de raios cósmicos na superfície da Terra – uma fonte de ruído de fundo que pode dificultar a identificação de matéria escura difícil de encontrar.

Mesmo assim, encontrar matéria escura requer um detector sensível. Por essa razão, os cientistas procuram gases nobres, que também são notoriamente relutantes em reagir com qualquer coisa. Isso significa que há muito poucas opções para o que poderia acontecer quando uma partícula de matéria escura, ou WIMP, interage com o átomo de um gás nobre e, portanto, uma chance menor de os cientistas perderem uma interação já difícil de encontrar.

Mas qual nobre? Como se vê, “o xenônio é um nobre particularmente bom para detectar matéria escura”, disse Akerib. A matéria escura interage mais fortemente com os núcleos, e a interação se torna ainda mais forte com a massa atômica do átomo, explicou Akerib. Por exemplo, os átomos de xenônio são um pouco mais de três vezes mais pesados ​​que os átomos de argônio, mas espera-se que tenham interações com a matéria escura que são mais de dez vezes mais fortes.

Outro benefício:"Depois de purificar outros contaminantes do xenônio líquido, ele ficará muito silencioso por si só", disse Akerib. Em outras palavras, é improvável que o decaimento radioativo natural do xenônio atrapalhe a detecção das interações entre os WIMPs e os átomos de xenônio.

Apenas o xenônio, por favor

O truque, disse Akerib, é obter xenônio puro, sem o qual todos os benefícios do gás nobre são discutíveis. No entanto, gases nobres purificados não estão prontamente disponíveis - o fato de que eles não interagem com muita coisa também significa que geralmente são muito difíceis de separar um do outro. E, "infelizmente, você não pode simplesmente comprar um purificador na prateleira que purificará gases nobres", disse Akerib.

Akerib e seus colegas do SLAC, portanto, tiveram que descobrir uma maneira de purificar todo o xenônio líquido de que precisavam para o detector.

O maior contaminante do xenônio é o criptônio, que é o próximo gás nobre mais leve e possui um isótopo radioativo, que pode mascarar as interações que os pesquisadores estão realmente procurando. Para evitar que o criptônio se tornasse a criptonita do detector de partículas, Akerib e seus colegas passaram vários anos aperfeiçoando uma técnica de purificação de xenônio usando o que é chamado de cromatografia de carvão vegetal. A ideia básica é separar os ingredientes de uma mistura com base em suas propriedades químicas, à medida que a mistura é transportada por algum tipo de meio. A cromatografia de carvão vegetal usa hélio como gás de arraste para a mistura e carvão como meio de separação.

"Você pode pensar no hélio como uma brisa constante através do carvão", explicou Akerib. "Cada átomo de xenônio e criptônio passa uma fração do tempo preso no carvão e algum tempo solto. Quando os átomos estão em um estado solto, a brisa de hélio os varre pela coluna." Os átomos de gás nobre são menos pegajosos quanto menores, o que significa que o criptônio é um pouco menos pegajoso que o xenônio, então é varrido pela "brisa" não pegajosa do hélio, separando assim o xenônio do criptônio. Os pesquisadores poderiam então capturar o criptônio e jogá-lo fora e depois recuperar o xenônio, disse Akerib. "Fizemos isso para algo como 200 cilindros de gás xenônio - foi uma campanha bem grande."

O experimento LZ não é o primeiro experimento que o SLAC está envolvido em uma tentativa de buscar novas físicas com xenônio. O experimento do Observatório de Xenônio Enriquecido (EXO-200), que decorreu de 2011 a 2018, isolou um isótopo de xenônio específico para procurar um processo chamado decaimento beta duplo sem neutrinos. Os resultados do experimento sugeriram que o processo é inimaginavelmente raro, mas uma nova pesquisa proposta apelidada de Next EXO (nEXO) continuará a pesquisa usando um detector semelhante ao LZ.

Um tipo diferente de rede elétrica

Não importa qual líquido nobre preencha o detector, um sofisticado sistema de detecção é crucial se os cientistas esperam encontrar algo como matéria escura. Above and below the tower of liquid xenon for the LZ experiment are large, high-voltage grids that create electric fields in the detector. If a dark matter particle collides with a xenon atom and knocks a few electrons off, it will free some electrons from the atom and separately create a burst of light that can be detected by photo detectors, explained Ryan Linehan, a recent Ph.D. graduate from SLAC's LZ group who helped develop the high voltage grids. Electric fields running through the detector then drive the free electrons up into a thin layer of gas at the top of the cylinder where they create a second light signal. "We can use that second signal together with the original signal to learn a lot of information about position, energy, particle type, and more," Linehan said.

But these aren't your average electrical grids—they're carrying tens of thousands of volts, so high that any microscopic bits of dust or debris on the wire grid can cause spontaneous reactions that rip electrons out of the wire itself, Linehan said. "And those electrons can create signals that look just like the electrons that came from the xenon," thus masking the signals they are trying to detect.

The researchers came up with two main ways to minimize the chances of getting false signals from the grids, Linehan said. First, the team used a chemical process called passivation to remove iron from the surface of the grid wires, leaving a chromium-rich surface that reduces the tendency of the wire to emit electrons. Second, to remove any dust particles, the researchers thoroughly—and very carefully—sprayed the grids with deionized water immediately before installation. "Those processes together helped us get the grids to a state where we could actually get clear data," he said.

The LZ team published their first results online in early July, having pushed the search for dark matter farther than it's ever gone before.

Linehan and Akerib said they're impressed by what LZ's global collaboration has been able to accomplish. "Together, we're learning something fundamental about the universe and the nature of matter," Akerib said. "And we're just getting started."

The LZ effort at SLAC is led by Akerib, together with Maria Elena Monzani, a lead scientist at SLAC and LZ deputy operations manager for computing and software, and Thomas Shutt, who was the founding spokesperson of the LZ collaboration. + Explorar mais

Global team of scientists finish assembling next-generation dark matter detector