Observações cosmológicas e medições coletadas no passado sugerem que a matéria comum, que inclui estrelas, galáxias, o corpo humano e inúmeros outros objetos/organismos vivos, representa apenas 20% da massa total do universo. Foi teorizado que a massa remanescente consiste na chamada matéria escura, um tipo de matéria que não absorve, reflete ou emite luz e, portanto, só pode ser indiretamente observada por meio de efeitos gravitacionais no ambiente circundante.

Embora a natureza exata desse tipo elusivo de matéria ainda seja desconhecida, nas últimas décadas, os físicos identificaram muitas partículas que vão além do modelo padrão (a teoria que descreve algumas das principais forças físicas do universo) e que poderia ser boa matéria escura candidatos. Eles então tentaram detectar essas partículas usando dois tipos principais de detector de partículas avançado: detectores semicondutores em escala de grama (geralmente feitos de silício e usados ​​para procurar matéria escura de baixa massa) e detectores de gases em escala de toneladas (que têm limites de detecção de energia mais altos e são mais adequados para realizar pesquisas de matéria escura de alta massa).

A Colaboração EDELWEISS, um grande grupo de pesquisadores que trabalha na Université Lyon 1, Université Paris-Saclay e outros institutos na Europa, realizou recentemente a primeira pesquisa de matéria escura Sub-MeV usando um detector baseado em germânio (Ge). Embora a equipe não tenha sido capaz de detectar matéria escura, eles estabeleceram uma série de restrições que podem informar futuras investigações.

“EDELWEISS é um experimento de pesquisa direta de matéria escura. Como tal, nosso objetivo principal é detectar a matéria escura para trazer uma prova irrefutável de sua existência”, disse Quentin Arnaud, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “Ainda assim, a ausência de detecção é um resultado importante em si, porque nos permite testar e definir restrições nos modelos de partículas de matéria escura existentes.”

Existem duas razões principais pelas quais as partículas de matéria escura escaparam à detecção. Primeiro, a probabilidade de que essas partículas interajam com a matéria comum, como a que existe dentro dos detectores de partículas convencionais, é extremamente pequena.

Em segundo lugar, o sinal que os pesquisadores esperam que surja de uma partícula de matéria escura colidindo com o detector é várias ordens de magnitude menor do que os sinais produzidos pela radioatividade natural. A detecção desses sinais exigiria, portanto, tempos de exposição do detector muito longos e o uso de instrumentos feitos de materiais puros de rádio, mas que também fossem adequadamente protegidos e operados no subsolo, pois isso os impede de captar a radioatividade ambiente e os raios cósmicos.

“Eventualmente (apesar de todos os nossos esforços), sempre haverá algum fundo residual que precisamos ser capazes de discriminar”, explicou Arnaud. “Portanto, desenvolvemos tecnologias de detecção com a capacidade de determinar se os sinais que detectamos são induzidos por uma partícula de matéria escura ou se originam de fundo radioativo.”

Arnaud e seus colegas foram os primeiros a pesquisar matéria escura sub-MeV usando um detector criogênico de germânio de 33,4 g em vez de um detector de partículas à base de silício. Eles procuraram especificamente por partículas de matéria escura que interagiriam com os elétrons. O detector que eles usaram foi operado no subsolo no Laboratoire Souterrain de Modane, na França.

“A energia depositada em nosso detector após uma interação de partículas de matéria escura deve ser extremamente pequena (<1 keV)”, disse Arnaud. “Ao procurar por partículas de matéria escura clara (massas sub-MeV), é ainda pior: a energia depositada pode ser tão pequena quanto alguns eV, depósitos de energia tão pequenos que apenas algumas tecnologias de detecção de última geração podem ser sensível a eles.”

O detector usado pela colaboração da EDELWEISS consiste essencialmente em um cristal cilíndrico de germânio resfriado à temperatura criogênica (18 mK ou -273,13 C °), com eletrodos de alumínio em cada lado do cristal, no qual a equipe aplicou uma diferença de alta tensão . Colisões entre partículas e núcleos/átomos dentro do cristal levam à produção de pares elétron-orifício, que induzem um pequeno sinal de carga (ou seja, corrente) à medida que eles derivam em direção aos eletrodos de coleta.

Além disso, a colisão de uma partícula com a rede cristalina induz um pequeno aumento na temperatura (isto é, abaixo de 1 micro-Kelvin). Essa mudança na temperatura pode ser medida usando um sensor térmico muito sensível conhecido como sensor dopado por transmutação de nêutrons (NTD). Como os depósitos de energia que teoricamente deveriam surgir de partículas de matéria escura sub-MeV são incrivelmente pequenos (ou seja, na escala eV), no entanto, o sinal de carga associado seria muito pequeno para ser mensurável e o aumento na temperatura muito pequeno para ser medido por um sensor NTD.

“Para resolver esse problema, nosso detector explora o que é chamado de efeito Neganov-Trofimov-Luke (NTL) (que em certa medida é semelhante ao efeito Joule): em detectores semicondutores criogênicos, a deriva de N pares de elétron-buraco em uma voltagem A diferença produz calor adicional cuja energia se soma ao depositado inicial “, disse Arnaud. “Este efeito Neganov-Trofimov-Luke (NTL) essencialmente transforma um calorímetro criogênico (operado em ΔV = 0V) em um amplificador de carga. Um pequeno depósito de energia acaba dando origem a uma alta (mensurável) elevação de temperatura e quanto maior a voltagem, quanto maior o ganho de amplificação.”

Arnaud e seus colegas estabeleceram novas restrições à mistura cinética de fótons escuros. No geral, as descobertas coletadas demonstram a alta relevância e valor dos detectores criogênicos de germânio na busca contínua por interações de matéria escura que produzem sinais de elétrons em escala eV.

A colaboração da EDELWEISS está agora desenvolvendo um conjunto de detectores mais poderosos chamados SELENDIS (Single ELEctron Nuclear recoil DIScrimination). A característica mais importante desses novos detectores é uma técnica de discriminação inovadora que permitirá à equipe diferenciar entre recuos nucleares e eletrônicos em um único par elétron-buraco com a única medição de sinais de calor, em vez de exigir a medição simultânea de dois observáveis ​​( por exemplo, calor/ionização, ionização/cintilação ou calor/cintilação), como é o caso das técnicas de discriminação propostas anteriormente.

“Nenhuma tecnologia de detector existente pode combinar capacidade de sensibilidade e discriminação de detecção de um único elétron”, disse Arnaud. “Experimentos de detecção direta otimizados para buscas de matéria escura de alta massa são muito bons em discriminar o sinal do fundo, mas têm limites de detecção de energia relativamente altos. Experimentos de busca de matéria escura de baixa massa – incluindo EDELWEISS – têm limites de detecção de baixa energia sem precedentes, mas não conseguem discriminar o sinal do fundo. Com o SELENDIS, nosso objetivo é combinar os dois desenvolvendo o primeiro detector combinando a sensibilidade do par de lacunas de elétron único e as capacidades de discriminação de fundo.”

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