Um único evento registrado nas profundezas de uma antiga mina de ouro nos Estados Unidos colocou novamente a matéria escura no centro das atenções da física. O fenômeno foi captado pelo LUX-ZEPLIN (LZ), um dos experimentos mais sensíveis do mundo na busca por partículas que poderiam compor essa substância invisível.
A ocorrência tem características que não se encaixam perfeitamente no comportamento esperado das partículas conhecidas e pode ser compatível com um candidato à matéria escura.
Mas há uma ressalva fundamental: os pesquisadores não afirmam ter descoberto matéria escura. O resultado tem significância estatística de 2,6 sigma, muito abaixo do patamar de 5 sigma normalmente exigido para uma descoberta em física de partículas. Além disso, trata-se de um único evento, que ainda pode ter outras explicações.
Para o professor Alexandre Zabot, doutor em astrofísica e professor da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), a distinção é essencial. “A gente nunca descobriu matéria escura. A gente não sabe o que é matéria escura concretamente”, explica.
O que existe, segundo ele, é um enorme conjunto de evidências de que há algo no Universo produzindo efeitos gravitacionais que não podem ser explicados apenas pela matéria visível.
Evento raro foi captado em tanque de xenônio
O experimento LZ funciona em uma instalação subterrânea em Dakota do Sul, nos Estados Unidos, a cerca de 1,5 quilômetro de profundidade. A localização reduz a interferência provocada por partículas vindas do espaço. No centro do detector há cerca de sete toneladas de xenônio líquido, material escolhido porque permite registrar sinais extremamente pequenos produzidos por interações de partículas.
A lógica é relativamente simples, embora o experimento seja extremamente sofisticado. Se uma partícula atravessar o detector e colidir com o núcleo de um átomo de xenônio, a interação pode produzir um pequeno clarão de luz e liberar elétrons.
Esses sinais são registrados por centenas de sensores e permitem aos pesquisadores reconstruir características do evento, como sua energia e posição.
Na análise divulgada em setembro, a equipe considerou 220 dias de dados e ampliou a busca para cenários nos quais uma eventual partícula de matéria escura pudesse produzir interações de energia mais elevada. O resultado foi um único evento, registrado em 16 de junho de 2023.
A colisão produziu um recuo nuclear com energia de aproximadamente 248 quiloelétron-volts, uma faixa considerada incomum para os sinais normalmente procurados. A colaboração LZ afirma que a expectativa de eventos de fundo conhecidos nessa região é baixa. Ainda assim, a análise estatística aponta apenas 2,6 sigma de significância global, depois de considerados os chamados efeitos de procura múltipla.
Por que o sinal pode ter relação com matéria escura?
Uma das principais hipóteses sobre a natureza da matéria escura envolve as chamadas WIMPs, sigla em inglês para partículas massivas de interação fraca. Em linhas gerais, seriam partículas que possuem massa e interagem muito pouco com a matéria comum, mas poderiam, em determinadas condições, colidir com núcleos atômicos.
É justamente esse tipo de interação que experimentos como o LZ tentam encontrar. O problema é que um detector não registra apenas aquilo que os cientistas estão procurando. Partículas conhecidas também podem produzir sinais.
Por isso, os pesquisadores precisam eliminar diferentes possibilidades até verificar se sobra alguma ocorrência compatível com uma partícula desconhecida.
Zabot explica que as WIMPs são uma hipótese particularmente interessante porque poderiam interagir por meio da força nuclear fraca. Se uma dessas partículas passasse pelo detector e atingisse um núcleo de xenônio, poderia produzir uma reação capaz de deixar uma assinatura observável.
O evento agora analisado chamou atenção justamente por fugir do padrão esperado e apresentar energia elevada. Mas o próprio professor ressalta que isso não significa que a origem tenha sido identificada.
“Muitas coisas interagem com esses átomos, com esses núcleos, não apenas partículas de matéria escura”, afirma.
O que significa o resultado de 2,6 sigma?
Na física de partículas, o sigma é uma maneira de expressar quão improvável seria observar determinado resultado caso não houvesse um novo fenômeno por trás dele. Quanto maior o número de sigmas, menor a probabilidade de o resultado ser explicado apenas por uma flutuação estatística.
O LZ encontrou uma significância global de 2,6 sigma. Isso significa que o resultado é interessante o suficiente para justificar novas investigações, mas está longe do nível de 5 sigma adotado como referência para anunciar uma descoberta.
Zabot reforça que há outro problema: uma única ocorrência não é suficiente. Segundo ele, seria necessário observar diversos eventos, eliminar explicações alternativas e reproduzir o resultado. “Em física de partículas, nós nunca atribuímos uma descoberta a uma detecção única”, afirma.
Essa cautela é especialmente importante porque, segundo o professor, a ocorrência apresenta uma característica que torna sua interpretação ainda mais difícil. Se fosse realmente uma interação provocada por determinados modelos de WIMPs, seria esperado encontrar também outros eventos de menor energia. Até agora, isso não ocorreu.
Por que os cientistas acreditam que a matéria escura existe?
O fato de a natureza da matéria escura ainda ser desconhecida não significa que sua existência seja apenas uma especulação. Para os astrofísicos, há décadas de observações apontando para a presença de uma quantidade de matéria que não conseguimos enxergar diretamente.
Um dos exemplos está na rotação das galáxias. Ao calcular a quantidade de matéria visível de uma galáxia e compará-la com a velocidade com que ela gira, os cientistas encontram uma discrepância: há gravidade demais para ser explicada somente por estrelas, gás e outros componentes observáveis.
Outro indício vem das lentes gravitacionais. A gravidade de uma galáxia ou de um aglomerado pode desviar a luz de objetos mais distantes. Medindo esse desvio, é possível estimar a quantidade total de massa envolvida e compará-la com aquilo que pode ser observado diretamente. Mais uma vez, os valores não coincidem.
Essas e outras evidências levaram à hipótese de que exista uma forma de matéria que não emite, absorve ou reflete luz, mas exerce gravidade. Estimativas cosmológicas indicam que ela corresponde a cerca de 27% do conteúdo do Universo, enquanto a matéria comum representa aproximadamente 5%.
Por isso, a grande questão atual não é simplesmente saber se existe matéria escura, mas descobrir o que ela é. “O nosso problema não é a existência da matéria escura. O nosso problema é não saber o que é matéria escura”, resume Zabot.
Se o evento do LZ for confirmado como uma interação de matéria escura, o impacto para a física seria enorme. A massa e outras propriedades da partícula poderiam fornecer pistas sobre como essa substância surgiu no Universo primordial e ajudar a testar modelos da cosmologia e da física de partículas.
Mas essa confirmação ainda depende de novos dados. O próprio LZ continua coletando informações e já possui uma quantidade de dados muito maior do que aquela utilizada nessa análise. Outros experimentos, inclusive com detectores de xenônio líquido, também procuram sinais semelhantes.
A confirmação, portanto, não virá de uma manchete ou de um único evento, mas da repetição do fenômeno em análises independentes. Para Zabot, é preciso que diferentes grupos consigam encontrar ocorrências semelhantes em equipamentos distintos. “A gente precisa de reprodutibilidade nesse experimento”, afirma.
Até lá, o evento do LZ permanece exatamente no lugar em que a ciência o colocou: uma pista intrigante sobre um dos maiores mistérios do Universo, mas ainda não a descoberta da matéria escura.
