O mistério da identidade da Matéria Escura
Da Assessoria de Imprensa do Instituto de Física da USP:
Experimento COSINE-100 investiga o mistério da Matéria Escura
Sobre a publicação
- Paper Title: An experiment to search for dark matter interactions using sodium iodide detectors
- Journal, Publication Date: Nature, December 6, 2018
- Authors: Govinda Adhikari, Pushparaj Adhikari, Estella Barbosa de Souza, Nelson Carlin, Seonho Choi, Mitra Djamal, Anthony C. Ezeribe, Chang Hyon Ha* (IBS), Insik Hahn, Antonia J.F. Hubbard, Eunju Jeon, Jay Hyun Jo, Hanwool Joo, Woon Gu Kang, Woosik Kang, Matthew Kauer, Bonghee Kim, Hyounggyu Kim, Hongjoo Kim, Kyungwon Kim, Nam Young Kim, Sun Kee Kim, Yeongduk Kim, Yong-Hamb Kim, Young Ju Ko, Vitaly A. Kudryavtsev, Hyun Su Lee* (IBS), Jaison Lee, Jooyoung Lee, Moo Hyun Lee, Douglas S. Leonard, Warren A. Lynch, Reina H. Maruyama, Frederic Mouton, Stephen L. Olsen, Byungju Park, Hyang Kyu Park, Hyeonseo Park, Jungsic Park, Kangsoon Park, Walter C. Pettus, Hafizh Prihtiadi, Sejin Ra, Carsten Rott, Andrew Scarff, Keon Ah Shin, Neil J.C. Spooner, William G. Thompson, Liang Yang, and Seok Hyun Yong (COSINE-100 Collaboration)
(*corresponding authors)
- DOI: 10.1038/s41586-018-0739-1.
- Os resultados iniciais de 59,5 dias de tomada de dados não indicam eventos induzidos por matéria escura, desafiando significativamente a afirmação da colaboração DAMA/LIBRA de observação de um sinal correspondente a WIMPs.
Evidências astrofísicas sugerem que o Universo contém uma grande quantidade de Matéria Escura, mas nenhum sinal definitivo foi observado apesar dos esforços conjuntos de muitos grupos experimentais. Uma exceção é a muito debatida alegação da colaboração DAMA/LIBRA, de observação de uma modulação anual na taxa de eventos em seu detector, usando iodeto de sódio como material alvo. Esse seria um comportamento esperado nas interações de partículas de Matéria Escura denominadas WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle). O novo experimento COSINE-100, um detector de Matéria Escura instalado no Laboratório Subterrâneo de Yangyang (Y2L) na Coréia do Sul, está começando a explorar essa afirmação usando o mesmo material alvo e agora apresenta os primeiros resultados, os quais desafiam significativamente as interpretações feitas pela colaboração DAMA/LIBRA, que já duram quase duas décadas.
O enigma do sinal da colaboração DAMA/LIBRA e suas inconsistências com os resultados de outros experimentos resultaram em centenas de publicações. Como consequência, muitos novos modelos para explicar a Matéria Escura foram propostos e a controvérsia permanece de grande interesse científico e público.
Um ponto crítico e de suma importância é que o experimento COSINE-100 está investigando a afirmação de detecção de Matéria Escura usando o mesmo material alvo que o experimento DAMA/LIBRA, sendo o primeiro a divulgar resultados significativos por este meio. Em um artigo publicado na revista Nature, a colaboração COSINE descreve os resultados da primeira fase de trabalho, que consiste numa busca pelo sinal da Matéria Escura, procurando por um excesso de eventos sobre o fundo esperado. Este estudo indica que não há tais eventos presentes nos dados, confirmando que o sinal de modulação anual do experimento DAMA/LIBRA está em forte tensão com os resultados de outros experimentos sob a suposição do Standard Halo Model para Matéria Escura em nossa galáxia, como mostrado na Fig. 1
Fig. 1 - Limites de exclusão na interação WIMP-nucleon. Os limites de exclusão de 90% (círculos + linha sólida preta) na interação WIMP-nucleon são mostrados com bandas para o limite esperado, assumindo a hipótese de presença de fundo somente. Os limites excluem a interpretação do experimento DAMA/LIBRA - fase 1 de 3σ (linhas pontilhadas). Os limites do NAIAD, o único outro experimento baseado em iodeto de sódio a estabelecer um limite competitivo, são mostrados em magenta.
Conforme um dos porta-vozes do experimento, Hyunsu Lee, esses resultados são significativos porque, pela primeira vez, foram utilizados detectores de iodeto de sódio de tamanho e sensibilidade suficientes para observar a região de sinal do experimento DAMA/LIBRA de forma independente. Os resultados mostram que há pouco espaço para que tenha sido observada a Matéria Escura pelo experimento DAMA/LIBRA, a menos que o modelo de Matéria Escura seja significativamente modificado.
A colaboração do COSINE-100 é composta por 50 cientistas da Coréia do Sul, dos Estados Unidos, do Reino Unido, do Brasil e da Indonésia. O COSINE-100 começou a coleta de dados em 2016. O experimento utiliza oito cristais de iodeto de sódio dopados com tálio de fundo baixo dispostos em uma matriz de 4 por 2, resultando em uma massa total de 106 kg. Cada cristal é acoplado a dois fotossensores para medir a quantidade de energia depositada no cristal. O conjunto de cristais de iodeto de sódio é imerso em 2.200 L de líquido cintilador, o que permite a identificação e posterior redução de fundos radioativos observados pelos cristais. O cintilador líquido é cercado por cobre, chumbo e cintiladores plásticos para reduzir a contribuição de fundo da radiação externa, bem como múons de raios cósmicos. O esquema do detector é mostrado na Fig. 2.
Fig. 2. O detector COSINE-100 está contido em um conjuntoi de componentes de blindagem mostrados em a). O principal objetivo da blindagem é fornecer cobertura total contra radiação externa de várias fontes de fundo. Os componentes de blindagem incluem painéis cintiladores de plástico, uma caixa de chumbo e uma caixa de cobre. Os oito cristais de iodeto de sódio encapsulados, mostrados em c) estão localizados dentro da caixa de cobre e são imersos em líquido cintilador, como mostrado em b).
Apesar da forte evidência de sua existência, a identidade da Matéria Escura permanece um mistério. Vários anos de tomada de dados serão necessários para confirmar ou refutar totalmente os resultados de modulação anual do experimento DAMA/LIBRA. Melhor compreensão teórica e mais dados do detector COSINE-100 atualizado (COSINE-200) ajudarão a entender o mistério do sinal. Para ajudar a alcançar este objetivo, está em construção um novo local, mais profundo e espaçoso, chamado Laboratório Yemi. O experimento COSINE-100 foi concebido por Yeongduk Kim, Hyun Su Lee, Reina Maruyama e Neil Spooner e está atualmente coletando dados com melhoria contínua no entendimento do detector.
Para mais informações sobre o experimento COSINE-100: https://cosine.yale.edu/home ou https://cosine.ibs.re.kr
Contato: Prof. Nelson Carlin Filho - carlin@if.usp.br - tel: (11)3091-6820
- Referência
Govinda Adhikari, Pushparaj Adhikari, Estella Barbosa de Souza, Nelson Carlin, Seonho Choi, Mitra Djamal, Anthony C. Ezeribe, Chang Hyon Ha* (IBS), Insik Hahn, Antonia J.F. Hubbard, Eunju Jeon, Jay Hyun Jo, Hanwool Joo, Woon Gu Kang, Woosik Kang, Matthew Kauer, Bonghee Kim, Hyounggyu Kim, Hongjoo Kim, Kyungwon Kim, Nam Young Kim, Sun Kee Kim, Yeongduk Kim, Yong-Hamb Kim, Young Ju Ko, Vitaly A. Kudryavtsev, Hyun Su Lee* (IBS), Jaison Lee, Jooyoung Lee, Moo Hyun Lee, Douglas S. Leonard, Warren A. Lynch, Reina H. Maruyama, Frederic Mouton, Stephen L. Olsen, Byungju Park, Hyang Kyu Park, Hyeonseo Park, Jungsic Park, Kangsoon Park, Walter C. Pettus, Hafizh Prihtiadi, Sejin Ra, Carsten Rott, Andrew Scarff, Keon Ah Shin, Neil J.C. Spooner, William G. Thompson, Liang Yang, and Seok Hyun Yong (COSINE-100 Collaboration)
(*corresponding authors); An experiment to search for dark matter interactions using sodium iodide detectors;
Nature (2018). DOI é 10.1038/s41586-018-0739-1.
