Mergir debaixo de uma montanha italiana, um detector gigante cheio de toneladas de xenônio líquido tem procurado partículas escuras de uma substância misteriosa cujos efeitos podemos ver no universo, mas que ninguém jamais observou diretamente. Pelo caminho, no entanto, o detector apanhou outro unicórnio científico: a decomposição dos átomos de xenon-124 – o processo mais raro já observado no universo.
Os resultados da experiência XENON1T, co-autoria dos cientistas da Universidade de Chicago e publicada a 25 de Abril na revista Nature, documentam a mais longa meia-vida no universo – e podem ajudar os cientistas a caçar outro processo misterioso que é um dos grandes mistérios da física das partículas.
Nem todos os átomos são estáveis. Dependendo de sua composição, alguns se estabilizam liberando partículas subatômicas e transformando-se em um átomo de um elemento diferente – um processo chamado decadência radioativa.
Estamos muito mais familiarizados com elementos radioativos como urânio e plutônio – estes são os adolescentes selvagens de elementos radioativos, constantemente lançando partículas. O Radon-222, por exemplo, tem uma meia-vida de apenas quatro dias. Alguns elementos, no entanto, decompõem-se muito, muito lentamente. Xenon-124 é um desses estadistas mais velhos: sua meia-vida é um trilhão de vezes maior do que a idade do universo, e como tal, a chance de detectar sua decadência é muito pequena.
“Esta é a maior vida útil que já medimos diretamente”, disse Luca Grandi, professor assistente de física da Universidade de Chicago e co-autor do estudo. “Sua detecção só foi possível graças ao tremendo esforço que a colaboração colocou em fazer do XENON1T um detector de fundo ultra-baixo”. Isto tornou o detector ideal para buscas de eventos raros como a detecção de matéria escura – para a qual foi concebido – assim como outros processos elusivos”
Grandi é um dos cientistas que trabalhou no detector XENON1T, uma máquina extremamente sensível, alojada quase uma milha abaixo da superfície das montanhas Gran Sasso na Itália. A profundidade e a gigantesca piscina de água na qual o detector está imerso protege o detector de falsos alarmes provenientes de raios cósmicos e outros fenómenos enquanto procura evidências de uma partícula chamada “WIMP”, um candidato proposto para matéria escura.
O detector XENON1T é preenchido com três toneladas de xénon, que é mantido arrefecido a menos 140 graus Fahrenheit e constantemente purificado (mesmo alguns átomos que descascam os lados metálicos do recipiente poderiam lançar fora das medidas). O detector, que Grandi e a equipe da UChicago ajudaram a desenvolver, construir e operar, detecta flashes de luz que são produzidos após uma partícula atingir um átomo de xenônio.
O detector XENON1T é otimizado para detectar processos muito raros, já que se espera que partículas de matéria escura interajam muito raramente com a matéria comum. Mas também pode captar outros sinais: neste caso, as pistas produzidas como átomos de xenon-124 decompõem-se no interior do detector. Existem suficientes átomos de xenon-124 dentro do detector que isto foi observado 126 vezes no ano em que XENON1T estava tomando dados.
Os dados ajudaram a colaboração a fazer a primeira medição definitiva da meia-vida do xenon-124: 18 bilhões de trilhões de anos.
Este processo de decaimento é chamado de captura de dois neutrinos de duplo elétron. Acontece quando dois prótons no núcleo do xénon absorvem simultaneamente um electrão da carapaça atómica e emitem um neutrino -convertendo ambos os prótons em neutrões.
Este está intimamente relacionado com outro processo que intriga os físicos, chamado processo de dupla decadência beta. “Se os cientistas observassem uma versão sem neutrino da dupla decadência beta, saberíamos que um neutrino é a sua própria antipartícula”, disse Grandi. Se assim fosse, seria necessário que os físicos revisitassem sua imagem de como o universo funciona – e poderia até abrir a porta para algumas questões fundamentais, como por que há mais matéria do que antimatéria no universo.
Ninguém ainda foi capaz de observar tal evento, mas a medida de decaimento do xénon-124 dá aos cientistas informações sobre como procurá-lo – pregando os parâmetros dos modelos dos cientistas e reduzindo a chance de erros da técnica que eles usam para procurar o decaimento duplo beta sem neutrino.
“Além de restringir os modelos nucleares para buscas com duplo beta, esta descoberta nos diz que pode ser possível usar futuros detectores massivos de xenônio para buscar por capturas de duplo elétron sem neutrino – uma variante ainda mais rara que, se detectada, também nos dirá a natureza dos neutrinos”, disse Grandi.
O detector XENON1T está actualmente a sofrer uma actualização para aumentar a sua sensibilidade; está planeado reiniciar a recolha de dados no final deste ano como XENONnT, com três vezes mais xenon e uma ordem de magnitude de maior sensibilidade.
Os outros cientistas da UChicago no trabalho foram o pesquisador de pós-doutorado Jacques Pienaar; os estudantes de pós-graduação Evan Shockley, Nicholas Upole e Katrina Miller; o pesquisador de pós-doutorado Christopher Tunnell (agora na Universidade de Rice); e o cientista de dados Benedikt Riedel (agora na Universidade de Wisconsin-Madison).
Citação: “Primeira observação da captura de dois neutrinos de electrões duplos em 124Xe com XENON1T.” Aprile et al, Nature, 24 de Abril de 2019.
Funding: Fundação Nacional da Ciência, Fundação Nacional da Ciência Suíça, Ministério da Educação e Pesquisa da Alemanha, Max Planck Gesellschaft, Fundação Alemã de Pesquisa, Organização Holandesa de Pesquisa Científica, NLeSC, Instituto de Ciência Weizmann, I-CORE, Pazy-Vat, Rede de Formação Inicial Invisíveis, Fundação para a Ciência e a Tecnologia, Região do Pays de la Loire, Fundação Knut e Alice Wallenberg, Fundação Kavli, Abeloe Graduate Fellowship e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.