Diretoria

Resumo: Este projeto se insere em um programa mais extenso de investigação das propriedades do chamado Plasma de Quarks e Glúons a partir de observáveis relacionados à produção e dinâmica de quarks pesados (charm e bottom) em colisões entre íons pesados relativísticos, principalmente jatos de partículas formados nessas colisões a partir do espalhamento duro e fragmentação desse tipo de quark. O objetivo específico deste trabalho de mestrado consiste em investigar a possiblidade de se estudar a produção do méson J/psi correlacionado com a formação de jatos em colisões entre íons pesados a fim de identificar a produção de quarks pesados a partir do processo de fissão de glúons. Esse estudo ajudará na identificação dos vários processos de produção de quarks pesados que influenciam a propagação de pártons no QGP e sua consequente fragmentação e hadronização.

Resumo: As buscas experimentais pela matéria escura estão divididas em três frentes que constituem metodologias de investigação complementares: métodos de detecção direta e indireta e produção em colliders, como o LHC. Sendo assim, neste projeto pretende-se realizar pesquisa experimental relacionada à detecção direta da matéria escura, em particular WIMPs, por meio do experimento COSINE-100 (106 kg de cristais de NaI(Tl)) instalado em laboratório subterrâneo na Coréia do Sul. A ênfase inicial reside na confirmação ou não dos resultados do experimento DAMA/LIBRA, que sugerem a existência de matéria escura pela verificação de uma modulação anual na taxa de eventos devida ao movimento da Terra ao redor do Sol e deste em relação ao halo galáctico, fato que traria variações ao longo do ano do “vento” de WIMPs que chegaria ao detector. Esses resultados já foram refutados por outros experimentos que apresentaram resultados nulos. Adicionalmente, pretende-se também em médio prazo investigar aspectos relacionados à física além do modelo padrão, em particular a existência de fótons escuros que atuariam como mediadores das interações com o modelo padrão. O estudo e entendimento detalhado de eventos relacionados a múons nos experimentos de matéria escura são de vital importância. Múons são partículas carregadas provenientes de decaimentos de outras partículas, como píons e káons por exemplo. Essas partículas são observadas em “chuveiros” resultado da interação de raios cósmicos com a atmosfera. Os múons desses decaimentos são relativísticos e portanto sobrevivem o suficiente para alcançar não apenas a superfície da terra, como também o interior de laboratórios subterrâneos. Esses múons energéticos podem espalhar nêutrons, cujo sinal detectado pode ser confundido com o sinal de uma partícula candidata a matéria escura. Além disso, devido à variação em condições atmosféricas (como densidade e temperatura), observa-se uma modulação anual da taxa de múons. Essa modulação não explica o que foi observado pelo experimento DAMA/LIBRA, pois existe uma diferença de fase entre a modulação dos múons e da modulação esperada para WIMPs e os valores simulados para eventos resultantes de interação dos múons são bem menores que os valores observados. Múons energéticos causam fosforescência em cristais de NaTl. Esses eventos podem durar de poucos micro segundos a alguns dias e contribuem para os backgrounds do experimento. Dessa forma, justifica-se o estudo do fluxo de múons, tanto na superfície como no laboratório subterrâneo, a fim de conhecer os eventos causados direta e indiretamente pelos múons. Assim, pretende-se diferenciar eventos e modulações existentes devido a múons e devido a candidatos a matéria escura. Dando continuidade aos trabalhos iniciados no período anterior, apresento os resultados do monitoramento da correção de ganho e os primeiros estudos de correlação entre a temperatura atmosférica e a modulação de múons

Resumo: A existência de matéria escura provem principalmente de interações gravitacionais observadas em corpos celestes distantes. Contudo, somente essas observações não são capazes de revelar a verdadeira natureza da matéria escura. Para tal existem diversos experimentos utilizando-se de várias hipóteses. Uma delas, que será utilizada neste trabalho, é a de que a matéria escura interage por força gravitacional e força fraca, sendo o que se chama de Week Interaction Massive Particle (WIMP). As atividades experimentais de busca pela matéria escura estão divididas em três frentes que constituem metodologias de investigação complementares: métodos de detecção direta e indireta e produção em colliders, como o LHC. Sendo assim, neste projeto pretende-se realizar pesquisa experimental relacionada à detecção direta da matéria escura, em particular WIMPs, por meio do experimento COSINE-100 (106 kg de cristais de NaI(Tl)) instalado em laboratório subterrâneo na Coréia do Sul. A ênfase inicial reside na confirmação ou não dos resultados do experimento DAMA/LIBRA, que sugerem a existência de DM pela verificação de uma modulação anual na taxa de eventos devida ao movimento da Terra ao redor do Sol e deste em relação ao halo galáctico, fato que traria variações ao longo do ano do “vento” de WIMPs que chegaria ao detector. Os resultados do DAMA/LIBRA já foram refutados por outros experimentos que apresentaram resultados nulos, contudo o DAMA/LIBRA constitui o único que teve resultados não-nulos para medição da natureza da matéria escura, por isso vale a pena investigar a validade de suas conclusões, como já apontado no artigo da colaboração COSINE-100 publicado na revista Nature. 

Adicionalmente, pretende-se também em médio prazo investigar aspectos relacionados à física além do modelo padrão, em particular a existência de fótons escuros que atuariam como mediadores das interações com o modelo padrão. Paralelamente, já foram iniciadas discussões a respeito de futura atualização do experimento para a versão COSINE-200 (200 kg de cristais de NaI(Tl). Nesse contexto, o estudo detalhado de eventos relacionados a múons no experimento COSINE-100, incluindo a modulação anual e fluxo, toma papel importante para distinção de eventos relacionados a múons de eventos relacionados a interação de matéria escura. Múons são partículas carregadas provenientes de decaimentos de outras partículas na alta atmosfera, como píons e káons, por exemplo, que são observadas em “chuveiros” provindos da interação de raios cósmicos com a atmosfera. O decaimento dessas partículas tem energia suficiente para produzir múons relativísticos. Por serem relativísticos, esses múons sobrevivem o suficiente para alcançar não apenas a superfície da terra, como também o interior de laboratórios subterrâneos por terem alta energia, sendo, portanto, visíveis em nossos detectores. Do ponto de vista da detecção direta de matéria escura, esses múons energéticos podem espalhar nêutrons, cujo sinal detectado pode ser confundido com o sinal de uma partícula candidata a matéria escura , o que pode levar a falsas conclusões se não forem levados em conta. Além disso, devido à variação em condições atmosféricas (como densidade e temperatura), observa-se uma modulação anual da taxa de múons. Essa modulação não explica o que foi observado pelo experimento DAMA/LIBRA, pois existe uma diferença de fase entre a modulação dos múons e da modulação esperada para WIMPs e os valores simulados para eventos resultantes de interação dos múons são bem menores que os valores observados. Dessa forma, justifica-se o estudo do fluxo de múons, tanto na superfície como no laboratório subterrâneo, a fim de conhecer os eventos causados direta e indiretamente pelos múons. Assim, pretende-se diferenciar eventos e modulações existentes devido a múons e devido a candidatos a matéria escura. Nesse trabalho, iniciou-se a familiarização com as ferramentas e linguagens de programação utilizadas e os primeiros estudos de direcionamento do fluxo de múons nos detectores do experimento COSINE-100, bem como o planejamento dos próximos estudos e análises que serão realizados.

Resumo: Em 2016, um grupo de pesquisadores húngaros e um pesquisador holandês publicaram resultados sobre a correlação angular entre pósitrons e elétrons emitidos em transições nucleares de átomos de 8Be. Foram estudadas as transições nucleares dos estados 17.6 MeV (Jπ = 1+, T = 1) e 18.15 MeV (Jπ = 1+, T = 0) para o estado fundamental. As correlações angulares observadas divergiram das esperadas através de simulações para ângulos de separação entre o elétron e o pósitron acima de cerca de 120º. Para explicar os resultados discordantes, o artigo sugere a criação de um bóson com massa de aproximadamente 17 MeV na transição nuclear, o qual poderia decair em um par elétron-pósitron e alterar a correlação angular esperada. Em 2019, o mesmo grupo estudou a transição nuclear de átomos de 4He do estado 21.01 MeV (Jπ = 0-) para o estado fundamental. Novamente, as correlações angulares entre os elétrons e pósitrons obtidas foram diferentes do esperado por simulações. Os resultados podem ser explicados, mais uma vez, pela criação e posterior decaimento de uma partícula com massa de aproximadamente 17 MeV na transição nuclear. Provavelmente, os bósons criados nos decaimentos do 8Be e do 4He são os mesmos, dado que é muito improvável a criação de duas partículas com massas idênticas, anteriormente desconhecidas, em ambas as transições nucleares. Dado suas características, o bóson criado é um ótimo candidato ao fóton escuro, incentivando o surgimento de novas pesquisas que procurem por ele em regiões de massa e da constante ε que ainda não foram excluídas por estudos já realizados. Dado os incentivos à busca pelos fótons escuros citados acima, pretendemos realizar pesquisa relacionada à procura de fótons escuros no experimento COSINE-100.