Universidade de Coimbra integra descoberta histórica na detecção de neutrinos solares

A colaboração internacional LUX-ZEPLIN (LZ), da qual o Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC) é membro fundador, anunciou dois resultados de enorme relevância científica: a primeira observação de interacções de neutrinos solares com núcleos atómicos e o estabelecimento dos limites mais restritivos de sempre na procura directa por matéria escura de baixa massa.

Os resultados, já disponíveis em preprint e submetidos à revista Physical Review Letters, baseiam-se na análise do maior conjunto de dados alguma vez recolhido por um detector de matéria escura: 417 dias de operação efectiva, entre Março de 2023 e Abril de 2025. Este avanço representa um marco histórico na física de partículas e abre uma nova janela para o estudo do interior do Sol.

No âmbito da procura por matéria escura, a experiência LZ reforçou a sua posição como a mais sensível do mundo para partículas do tipo WIMPs (weakly interacting massive particles) com massas superiores a 5 GeV/c², alcançando em particular os melhores limites conhecidos para massas abaixo de 9 GeV/c². Embora não tenham sido observados sinais directos destas partículas, os novos resultados permitem restringir de forma sem precedentes os cenários teóricos associados à sua natureza.

“A existência e a natureza da matéria escura são questões fundamentais para a compreensão do Universo. Ainda não a conseguimos observar directamente, mas estes resultados permitem-nos compreender melhor como poderá interagir com a matéria normal”, afirma Isabel Lopes, professora da FCTUC e investigadora do LIP, que lidera o grupo português na colaboração LZ.

Em paralelo, a extraordinária sensibilidade do detector permitiu observar, pela primeira vez, interacções de neutrinos solares com núcleos atómicos através do processo raro conhecido como espalhamento coerente elástico de neutrinos com o núcleo (CEvNS). Neste mecanismo, um neutrino interage com todo o núcleo atómico, transferindo-lhe uma quantidade ínfima de energia. O processo tinha sido observado pela primeira vez apenas em 2017, recorrendo a neutrinos produzidos em reactores nucleares.

A experiência LZ é agora a primeira a observar o CEvNS induzido por neutrinos solares, com uma significância estatística de 4,5 sigma, acima do limiar de 3 sigma tradicionalmente utilizado para classificar um resultado como evidência científica. Outras experiências internacionais, como a PandaX-4T e a XENONnT, tinham reportado indícios deste fenómeno no ano passado, mas com níveis de confiança inferiores.

Este resultado constitui a primeira evidência de um sinal de CEvNS associado a neutrinos de origem extraterrestre. A observação assume também um forte simbolismo histórico: foi na mesma caverna, hoje conhecida como a “caverna Davis”,  que, nas décadas de 1960 e 1970, Raymond Davis Jr. e John Bahcall mediram pela primeira vez o fluxo de neutrinos solares, um feito que valeu a Davis o Prémio Nobel da Física em 2002.

“A novidade não é apenas a detecção de neutrinos solares, mas o mecanismo extremamente subtil pelo qual foram observados. Estamos a falar de apenas alguns fotões e electrões por interacção, o que demonstra a extraordinária sensibilidade do detector LZ”, sublinha Paulo Brás, investigador do LIP e vice-coordenador de física da colaboração.

A experiência LZ reúne cerca de 250 cientistas e engenheiros de 37 instituições dos Estados Unidos, Reino Unido, Portugal, Suíça, Austrália e Coreia do Sul. O detector utiliza 10 toneladas de xénon líquido ultra-puro, operando a −98 °C, e encontra-se instalado a 1,5 quilómetros de profundidade no Sanford Underground Research Facility (SURF), no Dakota do Sul (EUA), de forma a minimizar a interferência da radiação cósmica.

A colaboração LZ continuará a recolher dados até 2028, com o objectivo de atingir 1.000 dias de aquisição, aprofundando a exploração de massas de WIMPs ainda mais baixas, bem como o estudo de processos exóticos raros e de novos fenómenos fundamentais da física.