Imagem: Ricardo Pitta e os alunos do HEPIC, Luiz e Bruno, com colegas da colaboração COSINE-100 em evento na Coreia do Sul.

 

A natureza da matéria escura é uma das grandes questões da física , que vem sendo debatida desde a década de 30. Com  a consolidação dessa hipótese, a partir dos trabalhos de Vera Rubin e Kent Ford na década de 1970, diversos experimentos foram criados no mundo todo, juntando esforços para entender a natureza física dessa questão.

 

Durante seu doutorado, Ricardo Pitta, orientado pelo pesquisador Nelson Carlin, participou da colaboração internacional COSINE-100, experimento localizado na Coreia do Sul. Ricardo, que já era  mestre pelo HEPIC, defendeu sua tese em março e obteve o título de doutor no início deste ano.

 

Imagem: À esquerda: simulação da rotação de  galáxias espirais segundo observações astronômicas. À direita: o que seria o esperado segundo as leis de Kepler. Imagem: ESO/L.Calçada.

 

A matéria escura é uma hipótese na Física que revela uma brecha em nosso entendimento sobre o Universo. Uma das grandes evidências da existência da matéria escura foi resultado de uma pesquisa de Vera Rubin, que catalogou o movimento de rotação de diversas galáxias, comparando-o com a distribuição radial de sua massa. Observou-se que as galáxias mantêm uma velocidade de rotação quase constante (imagem à esquerda), apesar de possuírem mais massa visível concentrada em seu centro, o que, segundo os modelos clássicos, deveria resultar em velocidades maiores próximas ao centro da galáxia. Para explicar esse resultado, é preciso supor que há mais massa distribuída nas galáxias do que conseguimos medir.

 

Os resultados acumulados ao longo das últimas décadas indicam uma lacuna importante no entendimento atual da Física. O questionamento é: o que é essa “massa faltante” presente em nosso Universo? Pelo fato de não interagir de forma eletromagnética, e assim, não podermos vê-la, foi dado o nome de “matéria escura”.
 

Ricardo estudou a detecção indireta da matéria escura por meio de múons, que usa sinais da interação da matéria escura com a matéria que conhecemos, que por sua vez geram essas partículas. O maior desafio nesse modelo é a determinação correta da fonte que emite esses sinais de múons. A hipótese usada na tese do Ricardo é que , a matéria escura seria composta por fótons escuros, partícula hipotética que não possui carga e que é uma das candidatas para explicar o enigma da matéria escura.

 

Em sua pesquisa, Ricardo realizou uma análise aprofundada dos dados adquiridos pelo COSINE-100, que coleta de vários sinais por meio de detectores de Nal(Tl) (iodeto de sódio ativados com tálio). Como parte da colaboração, Ricardo também participou de diversas coletas e validações de dados do experimento, que são analisados a partir de parâmetros externos, como temperatura e características dos detectores.

 

A imagem mostra um esquemático do experimento COSINE-100, composto por: um absorvedor para impedir interferências externas; um cintilador líquido, que reduz a possibilidade do detector entrar em contato com alguma possível interferência; e finalmente, um detector. O detector composto pelo cintilador funciona emitindo um flash de luz quando uma partícula carregada colide com ele e por fim, o contador de eventos gera os dados sobre as interações detectadas.

 

A partir das informações coletadas por pesquisadores do mundo todo na colaboração, Ricardo determinou a partir de simulações quais são os parâmetros que otimizam a probabilidade de se detectar o evento resultante do modelo de matéria escura buscado. Com os resultados obtidos, foi possível afirmar que há a possibilidade de que fótons escuros decaiam em múons detectáveis pelo experimento.

 

Imagem: Modelo de como os planetas orbitam o Sol, que então se move ao redor da galáxia em uma direção diferente, defasada em cerca de 60 graus. Espera-se que a Terra se mova mais rapidamente pela galáxia no início de junho e mais lentamente no início de dezembro. 

 

O experimento COSINE-100, ANAIS-212 e o DAMA/LIBRA, baseiam-se no movimento da Terra, buscando por possíveis mudanças na quantidade de detecções ao longo do ano. Durante parte do ano, a Terra passa mais rapidamente pelas possíveis partículas de matéria escura. Seis meses depois, a Terra deveria estar se movendo na direção oposta ao movimento do Sol, diminuindo a velocidade com que atravessa a matéria escura da galáxia. 

 

Ricardo destaca que as tentativas de buscar matéria escura são esforços contínuos, que a longo prazo podem não resultar na detecção, mas que o processo da busca pode resultar em diversas tecnologias que podem ser implementadas na sociedade.

 

“A gente fez a tecnologia, a gente engajou a comunidade científica, teve todo esse intercâmbio intelectual de diversas regiões do mundo. Isso é bom também. A busca é importante, mas tem muita coisa que sai em volta disso daí, não encontrar também é um resultado”

 

O COSINE-100 terminou suas atividades de coleta de dados em 2023 e agora parte para uma nova versão, o COSINE-200, que será construído em Yemilab, no condado de Jeongseon, projetado para aumentar a sua sensibilidade.