LZ estabelece novos limites na procura direta por matéria escura e observa interações raras de neutrinos solares
"O maior dataset de sempre em LZ: 417 dias de operação estável, de março de 2023 a abril de 2025."
Os resultados mais recentes da experiência internacional LUX-ZEPLIN (LZ), disponibilizados em preprint (arXiv:2512.08065; lz.lbl.gov) e submetidos para a revista Physical Review Letters, baseiam-se no maior volume de dados alguma vez adquirido por um detetor de matéria escura: 417 dias de operação efetiva e em condições estáveis, recolhidos entre março de 2023 e abril de 2025.
Esta é a primeira análise de LZ a explorar massas de WIMPs (weakly interacting massive particles), um candidato a matéria escura, inferiores a 9 GeV/c² (gigaelectrões-volt/c²). Os dois resultados anteriores focaram-se em massas mais elevadas, entre 9 GeV/c² e 10 TeV/c² (teraelectrões-volt/c²), onde a sensibilidade do detetor é maior e onde LZ conseguiu impor também os limites mais fortes.
Procura de matéria escura: análise a baixas massas reforça limites acima de 5 GeV/c²
Não foram encontrados sinais de WIMPs nesta nova análise. Ainda assim, a LZ afirma-se como a experiência mais sensível à procura de WIMPs para massas superiores a 5 GeV/c², impondo os limites mais fortes nesta gama.
“A existência e natureza da matéria escura é uma questão fundamental para a compreensão do Universo e LZ é a maior experiência e a de maior sensibilidade para a detetar” — afirma Isabel Lopes, investigadora do LIP e professora na Universidade de Coimbra, que lidera o grupo do LIP em LZ. “Ainda não a conseguimos observar diretamente, mas após este resultado ficámos a saber um pouco mais sobre ela, em particular sobre a sua probabilidade de interagir com a matéria normal.”
Neutrinos do Sol: evidência de espalhamento coerente em núcleos de xénon (4,5 sigma)
A elevada sensibilidade do detetor LZ permite também detetar neutrinos provenientes do Sol. Estas partículas produzem sinais já bem conhecidos em LZ através de colisões com eletrões atómicos. A nova análise demonstra que LZ é igualmente capaz de observar outro tipo de interação: o espalhamento coerente elástico de neutrinos com o núcleo (CEvNS).
Neste processo, um neutrino interage com todo o núcleo atómico, transferindo uma quantidade ínfima de energia. O CEvNS foi observado pela primeira vez apenas em 2017, recorrendo a um elevado fluxo de neutrinos produzidos em reatores nucleares. LZ é a primeira experiência a observar este processo em neutrinos solares, com uma significância de 4,5 sigma, acima do limiar de 3 sigma tradicionalmente usado para considerar uma observação como “evidência”.
As experiências PandaX-4T e XENONnT reportaram indícios deste processo no ano passado, mas com um nível de confiança inferior a 3 sigma. O novo resultado de LZ constitui, assim, a primeira evidência de um sinal de CEvNS associado a neutrinos extraterrestres.
Um regresso à “caverna Davis”, onde a história dos neutrinos solares começou
Não é a primeira vez que neutrinos provenientes do Sol são detetados no laboratório onde LZ está instalado. Nos anos 60 e 70, Raymond Davis Jr. e John Bahcall mediram pela primeira vez o fluxo de neutrinos solares com um detetor com 380 m³ nessa mesma caverna, hoje conhecida como a “caverna Davis”. Este resultado valeu a Ray Davis o Prémio Nobel da Física de 2002.
“Com este novo resultado de LZ, o fluxo de neutrinos solares volta a ser medido nas cavernas da mina em SURF após a experiência original de Ray Davis” — comenta Paulo Braz, investigador do LIP e vice-coordenador de física da colaboração LZ. “A novidade não é a deteção direta de neutrinos solares, mas sim o mecanismo pelo qual estes foram detetados: o espalhamento coerente em núcleos de xénon, onde esperamos observar apenas entre 3 a 7 fotões e entre 4 a 14 eletrões por interação, um testemunho da excelente sensibilidade de LZ.”
Próximos passos: rumo aos 1000 dias de dados até 2028
Com estes novos dados, LZ continua a liderar a procura direta por matéria escura e a estudar as propriedades dos neutrinos. Com o objetivo de completar 1000 dias de aquisição de dados e duplicar a exposição total obtida até agora, a colaboração continuará a recolher dados até 2028. Entretanto, com técnicas de análise cada vez mais sofisticadas, os investigadores esperam alcançar sensibilidades sem precedentes a interações extremamente raras, explorar massas de WIMPs ainda mais baixas, procurar outros processos exóticos e abrir caminho à observação de fenómenos nunca antes detetados.
Sobre a experiência LZ e a participação do LIP
Várias observações do Universo indicam que a matéria escura é um ingrediente fundamental do cosmos: é cerca de cinco vezes mais abundante do que a matéria normal e contribui para manter as galáxias (incluindo a Via Láctea) coesas. Apesar disso, a sua deteção direta é um grande desafio, uma vez que as partículas que a constituem não emitem nem interagem com a luz.
A experiência LUX-ZEPLIN (LZ) é uma colaboração internacional com 250 cientistas e engenheiros de 37 instituições dos EUA, Reino Unido, Portugal, Suíça, Austrália e Coreia do Sul. O detetor utiliza 10 toneladas de xénon líquido ultra-puro a −98 ºC para procurar sinais de weakly interacting massive particles (WIMPs), um dos candidatos mais plausíveis à matéria escura. Uma interação no xénon pode produzir cintilação (luz ultravioleta) e eletrões de ionização, registados por 494 sensores de luz no interior do detetor.
Para maximizar a sensibilidade a interações extremamente raras, o detetor foi construído com materiais de elevada pureza radioativa e instalado a 1,5 km de profundidade no Sanford Underground Research Facility (SURF), no Dakota do Sul (EUA), reduzindo significativamente o fundo causado por raios cósmicos.
O LIP participa na colaboração LZ através do seu grupo sediado na Universidade de Coimbra, envolvendo cinco investigadores e dois estudantes de doutoramento. A contribuição do LIP inclui estudos das propriedades óticas dos materiais usados no detetor, desenvolvimento de software de análise de dados, monitorização e controlo do detetor, caracterização dos sinais da radiação ambiente e pesquisas de decaimentos raros do xénon.
Crédito das imagens: Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility