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CERN realiza experimento com feixe de múons para procurar matéria escura

Recentemente, a equipe do NA64 começou a usar um feixe de múons, que são partículas mais pesadas que os elétrons que eram utilizados nos experimentos anteriores

O experimento NA64 começou suas operações no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN), em 2016, na Área Norte do Super Proton Synchrotron (SPS), com o objetivo de buscar partículas desconhecidas de um "setor escuro" hipotético. Para isso, o NA64 direciona um feixe de elétrons a um alvo fixo, procurando por partículas do setor escuro geradas nas colisões entre os elétrons e os núcleos do alvo.

Recentemente, a equipe do NA64 começou a usar um feixe de múons, que são partículas mais pesadas que os elétrons, para procurar novas partículas que poderiam estar relacionadas ao enigma do momento magnético anômalo do múon e à matéria escura. Os primeiros resultados desta pesquisa foram publicados na revista Physical Review Letters em 8 de abril.

No artigo, a equipe do NA64 estabelece novos limites para a possibilidade de encontrar um bóson escuro Z' que se acopla a múons e tauons, dependendo de sua massa e força de acoplamento. No modelo básico, o Z' pode decair em neutrinos e explicar o momento magnético anômalo do múon. Em modelos mais complexos, ele também poderia decair em partículas de matéria escura, ajudando a resolver o problema da matéria escura ao prever a densidade dessas partículas formadas no início do universo. Os resultados mostram que os feixes de múons têm grande potencial na busca por matéria escura e novos fenômenos físicos.

Laura Molina Bueno, vice-coordenadora técnica, explica que os múons espalhados pelos núcleos do alvo podem produzir um bóson escuro Z', que então decairia em neutrinos ou em partículas de matéria escura, dependendo do modelo. A assinatura dessa produção seria a falta de energia e impulso detectáveis.

Para investigar isso, um feixe de múons de 160 GeV, derivado de um feixe de prótons do SPS, é direcionado a um calorímetro eletromagnético que funciona como um alvo. Os pesquisadores procuram eventos onde um múon final tenha menos de 80 GeV de energia, sem atividade nos calorímetros a jusante.

Como nenhum evento foi observado na região esperada, os pesquisadores concluíram que, para o modelo básico, a única janela de massa possível para um bóson escuro Z' é de 6 MeV a 40 MeV. Eles também descobriram que a matéria escura leve, conectada ao modelo padrão através de um Z', não pode ser mais pesada que 40 MeV.

O NA64 é um dos primeiros experimentos a buscar setores escuros acoplados a múons. Os cientistas estão otimistas em cobrir mais do espaço de parâmetros disponível no futuro, usando feixes de maior intensidade. Paolo Crivelli, co-porta-voz do NA64, conclui que o uso de um feixe de múons abre novas possibilidades para explorar outros fenômenos físicos, como fótons escuros, portais escalares e processos de violação do sabor do lépton.

O que é a matéria escura

Em 1933, o astrônomo suíço Fritz Zwicky, foi o pioneiro a utilizar o teorema do virial para inferir a existência da matéria escura, que ele chamou de "dunkle Materie" (matéria escura). Zwicky dedicou grande parte de sua carreira ao estudo das galáxias e à criação de catálogos detalhados delas

Na cosmologia, a matéria escura é uma forma de matéria que não interage com a matéria comum nem consigo mesma, porém, a matéria escura exerce gravidade. Somente há interação por parte da matéria visível (comum) como estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias, com a matéria escura.

Segundo Instituto de Física da Universidade Federal Rio Grande do Sul (UFRGS), o astrônomo, a matéria escura corresponde a 23% de todo o universo, enquanto a matéria comum compreende apenas 4%, e “é chamada escura porque não emite radiação eletromagnética, e portanto não pode ser detectada em nenhuma faixa do espectro eletromagnético”.

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