Uma equipe internacional de cientistas afirma ter detectado um sinal intrigante que pode indicar a existência de matéria escura, oferecendo uma pista que talvez aproxime a solução do mistério dessa substância elusiva.
A matéria escura compõe cerca de 85% de toda a matéria do universo e é aproximadamente cinco vezes mais abundante que a matéria comum, constituindo estrelas, planetas e tudo o mais que os cientistas conseguem observar. A matéria escura é invisível porque não absorve nem reflete a luz, mas interage com a matéria comum, e seus efeitos gravitacionais são necessários para explicar a estrutura do universo.
Por quase meio século, desde que os astrônomos americanos Vera Rubin e W. Kent Ford forneceram algumas das evidências mais fortes da existência da matéria escura, os cientistas têm tentado identificar a substância invisível, mais recentemente usando dispositivos sofisticados projetados para detectar possíveis candidatos.
Um desses dispositivos é o experimento LUX-ZEPLIN, ou LZ, um detector contendo 7 toneladas métricas ativas de xenônio líquido, localizado em uma antiga mina de ouro a quase 1,5 quilômetros abaixo da superfície da Terra, na Instalação de Pesquisa Subterrânea de Sanford, na Dakota do Sul. O detector registrou uma interação incomum de partículas em junho de 2023, que gerou um clarão e uma cautelosa expectativa.
A colaboração LZ é um grupo internacional de 250 cientistas e engenheiros de 39 instituições. Após meses de análise, a equipe estima que haja apenas 0,5% de chance de uma fonte conhecida de interferência ter causado o evento, tornando este sinal o indício mais convincente de matéria escura já registrado pelo instrumento.
No entanto, em termos científicos, reivindicar uma descoberta exige um grau de confiança muito maior. “Um único evento, por si só, não é suficiente”, disse Alvine Kamaha, professora assistente de física da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, em um e-mail.
“Precisamos verificar se surgem eventos adicionais à medida que coletamos mais dados e se a significância estatística da observação aumenta”, disse Kamaha, membro da colaboração LZ que ajudou a construir o detector LZ.
Sam Eriksen, pesquisador sênior de física na Universidade de Bristol e membro da colaboração LZ, apresentou as descobertas em 1º de setembro na conferência TeV Particle Astrophysics 2026, no Japão, e a equipe submeteu um estudo para publicação na revista científica Physical Review Letters.
Os pesquisadores já estão trabalhando em análises adicionais que podem aumentar a significância estatística do evento. O limiar para se declarar uma descoberta em física de partículas é conhecido como 5-sigma, o que significa uma probabilidade de aproximadamente 1 em 3,5 milhões de ser uma coincidência estatística, em vez de um indício real de matéria escura. A análise está atualmente em 2,6-sigma, ou seja, uma probabilidade de 1 em 200 de ser uma coincidência.
A detecção definitiva da matéria escura seria “um grande avanço”, disse Kamaha. “Sabemos que a matéria escura desempenha um papel fundamental na formação de galáxias e na estrutura em larga escala do universo, mas ainda não sabemos o que ela realmente é”, afirmou. “É empolgante porque abriria uma área completamente nova da física de partículas.”
Plantando sinais falsos de matéria escura
Existem vários candidatos para o que a matéria escura poderia ser, incluindo buracos negros primordiais ou uma partícula ainda não descoberta. Detectores como o experimento LZ buscam por uma classe de partículas hipotéticas chamadas partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs.
Se existirem, as WIMPs atravessam a matéria comum sem interagir com ela, e um grande número delas poderia passar despercebido pelo corpo humano a cada segundo. Em raras ocasiões, porém, uma dessas partículas poderia colidir com um núcleo atômico e produzir um minúsculo recuo — exatamente o tipo de evento que o experimento LZ foi projetado para detectar.
O detector utiliza xenônio líquido altamente purificado. Os pesquisadores selecionaram esse elemento porque seus átomos possuem núcleos pesados que o tornam um alvo particularmente sensível para WIMPs. As colisões no xenônio produzem sinais que o detector pode medir facilmente.
O experimento LZ está localizado em profundidade no subsolo e equipado com camadas protetoras para blindá-lo contra raios cósmicos e outras fontes de radiação que poderiam produzir sinais semelhantes à matéria escura. No entanto, esse ruído de fundo só pode ser reduzido, não eliminado.
“Você sempre estará em uma situação em que é possível que os eventos que ocorrem em seu detector sejam devidos a mecanismos mais convencionais”, disse Rick Gaitskell, professor de física da Universidade Brown em Providence, Rhode Island, e porta-voz do experimento LZ.
Acredita-se que as potenciais colisões de matéria escura sejam extremamente raras. “Entendemos que a matéria escura interage tão fracamente com a matéria convencional”, acrescentou Gaitskell, “que mesmo em um detector da escala do experimento LZ, precisamos procurar por períodos de meses ou anos por interação individual.”
A colaboração LZ detectou o evento de 2023 por meio de uma análise de 220 dias de dados, coletados entre março de 2023 e abril de 2024. Os pesquisadores agora estão trabalhando com um conjunto de dados mais recente, abrangendo 700 dias, disse Gaitskell, na esperança de que ele contenha mais colisões que possam ajudar a determinar se o evento de 2023 foi uma interação de matéria escura.
Para essa análise mais abrangente, a equipe também está introduzindo técnicas para evitar vieses inconscientes, por exemplo, inserindo “eventos sintéticos” nos dados. Esses eventos se assemelham a interações genuínas de matéria escura para a equipe de análise e só são removidos após a conclusão da análise.
“Uma possível detecção traz muita tensão entre a empolgação de o experimento funcionar como imaginamos e a preocupação de que possamos cometer erros ou simplesmente ser enganados por algo raro, novo ou coincidencial que aconteça no detector”, disse Kimberly Palladino, professora de física da Universidade de Oxford, na Inglaterra, e membro da colaboração LZ, em um e-mail. “É um pouco como ter uma queda por alguém na adolescência, em que você se diz para agir com naturalidade, mas tem a tendência de interpretar demais cada pequeno gesto da pessoa.”
No entanto, Palladino alertou que a história também está repleta de experimentos que registraram um ou dois eventos inexplicáveis, que nunca foram totalmente compreendidos. Se os novos dados do LZ contiverem novas colisões potenciais de matéria escura, experimentos semelhantes, também projetados para detectar matéria escura, como o XENONnT na Itália e o PandaX-4T na China , poderiam fornecer um teste independente dos resultados.
A descoberta da matéria escura aproximaria os cientistas significativamente da compreensão da composição do universo e de como ele evoluiu desde o Big Bang até os dias atuais.
“Mas muitos mais cientistas precisarão estudar a matéria escura para entender suas propriedades em uma variedade de experimentos diferentes e, em seguida, usar essas informações para executar simulações astrofísicas do nosso universo”, acrescentou Palladino. “Existem muitas teorias sobre o que a matéria escura pode ser, e pode haver vários tipos de matéria escura.”
Ainda há muito a fazer e aprender.
A potencial detecção de matéria escura pelo experimento LZ é intrigante, mas precisa de confirmação, de acordo com Tim MP Tait, professor do departamento de física e astronomia da Universidade da Califórnia, Irvine, que não faz parte da colaboração LZ.
“Só o tempo dirá se eles verão mais eventos à medida que o detector acumular mais dados, ou se isso se revelará uma anomalia estatística temporária”, acrescentou Tait em um e-mail. Ele observou que o evento LZ ocorreu em uma energia muito maior do que a maioria dos modelos prevê para WIMPs, o que significa que a matéria escura pode “se revelar mais estranha e maravilhosa do que imaginávamos inicialmente”.
Tracy Slatyer, professora de física no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), concorda que são necessárias mais análises de dados para entender se o evento LZ é matéria escura. “Se for matéria escura”, acrescentou Slatyer, que não está envolvida com a colaboração LZ, em um e-mail, “o fato de o evento ocorrer em uma energia bastante alta, sem eventos concomitantes em energias mais baixas, é muito interessante.”
A energia medida no evento LZ indica o quanto o núcleo de xenônio recuou devido à possível interação com a matéria escura. Uma partícula de matéria escura de alta energia, explicou Slatyer, já revelaria bastante sobre a natureza da matéria escura e como ela interage com partículas comuns. Outros experimentos poderiam ajudar a determinar suas propriedades com mais precisão.
“Ainda há muito a fazer e aprender, mas se este for realmente um sinal de matéria escura”, disse ela, “isso pode ser a chave para desbloquear uma grande quantidade de informações sobre nova física, além de nos dar uma nova maneira de medir o comportamento da matéria escura na vizinhança da Terra e, possivelmente, de forma mais ampla, por todo o cosmos.”