O laboratório subterrâneo mais profundo para busca de matéria escura aumentou significativamente a sensibilidade dos detectores

Em dezembro de 2023, foi relatado que uma nova instalação científica foi lançada na China – o laboratório mais profundo do mundo para a busca de matéria escura e outras descobertas. Outro dia foi publicado um artigo na revista Nature, de onde se souberam mais detalhes sobre os experimentos ali preparados. A uma profundidade de 2.400 m, sensores com sensibilidade significativamente aumentada foram instalados para detectar partículas elementares candidatas de matéria escura.

Fonte da imagem: Xinhua

A primeira etapa de detectores em um laboratório subterrâneo na cordilheira de Jinping, na China – nos túneis de uma usina hidrelétrica ali construída – foi lançada em 2010. Ao mesmo tempo, foram lançadas duas instalações experimentais: CDEX (China Dark Matter Experiment) e PandaX (Particle and Astrophysical Xenon Detector).

O detector CDEX é um sensor semicondutor de estado sólido na forma de 10 kg de germânio puro em estado cristalino. Acredita-se que 10 kg de meio sensível sejam capazes de detectar um evento por ano. O sensor CDEX foi projetado para capturar partículas hipotéticas WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) na faixa de massa mais baixa.

Partículas de matéria escura ou matéria escura, o que é mais correto do ponto de vista de determinar a natureza desse fenômeno, só podem interagir com outras partículas com a ajuda da gravidade. Colisões raras são possíveis com a transferência de energia para os átomos dos sensores, que se manifestará na forma de um brilho. Com base na intensidade e na trajetória do brilho, os parâmetros da partícula original podem ser calculados.

Como a Terra, em seu movimento orbital e galáctico, deve cruzar os fluxos de matéria escura, mais cedo ou mais tarde essas partículas se manifestarão nos detectores. À medida que criamos novos sensores e condições de detecção, estamos gradualmente criando novas condições de contorno de estados físicos que podem corresponder a partículas evasivas e invisíveis de matéria escura na faixa eletromagnética.

Fonte da imagem: Liu Weiping et al. / EPJ Web de Conferências

O novo sensor semicondutor de germânio no recém-lançado CJPL-II (China Jinping Underground Laboratory-II) tem uma massa de cerca de 100 kg, o que aumentou a frequência de possível detecção de candidatas a partículas de matéria escura em uma ordem de grandeza. Ao mesmo tempo, foram criadas condições para aumentar ainda mais a massa do sensor semicondutor para aproximadamente uma tonelada. Quando for criada, a China estará à frente das demais neste aspecto.

O segundo experimento conta com um sensor feito de xenônio, que está em dois estados de fase – líquido e gasoso. O experimento PandaX começou com 120 kg. Nas novas salas do laboratório CJPL-II, a massa da substância no sensor PandaX-4T foi aumentada para 4 toneladas e no futuro aumentará para 40 ou até 50 toneladas. Hoje, os italianos têm o sensor mais sensível deste tipo no projeto LNGS XENONnT – inclui 8,6 toneladas. No projeto americano LUX-ZEPLIN, a massa do xenônio chega a 7 toneladas. Para tais experimentos, a repetibilidade é extremamente importante para eliminar o acionamento aleatório dos detectores.

Fonte da imagem: Science China Press

O laboratório subterrâneo CJPL-II na China tem condições muito melhores para proteger os sensores dos efeitos das partículas cósmicas. Além disso, o mármore nas minas chinesas é menos fonito do que na Europa e nos EUA, o que também simplifica o projeto e a operação dos sensores. A indescritível matéria escura se tornará cada vez mais difícil de esconder dos cientistas e, com o tempo, eles descobrirão qual é o seu segredo.