Sec¸˜ao de Choque de Espalhamento
2.2 Coment´arios sobre Detecc¸˜ao Direta e Indireta de Mat´eria Escura
Uma abordagem mais quantitativa do assunto, incluindo detalhes sobres os m´etodos de detecc¸˜ao direta e indireta e uma discuss˜ao sobre os principais candidatos `a ME e os experi-
mentos est´a a disposic¸˜ao no Apˆendice A. Aqui nos ateremos a passar a ideia do que trata tais m´etodos.
Antes disso, gostar´ıamos de esclarecer que durante toda esta tese suporemos que a ME do Universo ´e composta de WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), ou seja part´ıculas massivas que interagem fracamente. Esses s˜ao os candidatos mais populares `a ME por diversas raz˜oes detalhadas no Apˆendice A.4.5. Portanto, iremos constantemente comutar os termos ME e WIMPS como se fossem exatamente a mesma coisa.
Primeiro, ao falarmos de detecc¸˜ao direta de ME estaremos nos referindo ao espalhamento WIMP-N´ucleo (veja Fig.(2.10) ). Este m´etodo aborda a medic¸˜ao da energia depositada pelo WIMP no N´ucleo. Medindo-se precisamente como essa energia ´e depositada no n´ucleo so- mos capazes de discriminar eventos de background causados por part´ıculas carregadas como el´etrons, m´uons, e alfa, daqueles provenientes de part´ıculas tal como o nˆeutron. Assim, se soubermos com precis˜ao a quantidade de decaimentos radiativos que acontecem no detector, qualquer evento em excesso ao background esperado ´e um poss´ıvel espalhamento causado por WIMP.
Como foi dito acima, o que se mede ´e a energia. Mas os experimentos de detecc¸˜ao direta reportam seus resultados em termos da taxa de espalhamento WIMP-N´ucleo. Essa taxa de espa- lhamento depende de v´arios fatores que s˜ao eles: sec¸˜ao de choque de espalhamento, distribuic¸˜ao de velocidade, fator de forma nuclear do n´ucleo e a massa do WIMP. Portanto, h´a informac¸˜oes tanto astrof´ısicas como nucleares que s˜ao fundamentais na hora de interpretar os dados prove- nientes dos experimentos de detecc¸˜ao direta como CDMS, XENON, DAMA, CoGeNT entre outros.
cidade, com uma velocidade de escape infinita, e um fator de forma nuclear de Helm4. Ap´os isto, inserem estes fatores na taxa de espalhamento e fazem um ajuste nos parˆametros (sec¸˜ao de choque× massa), de forma a reproduzir a taxa de espalhamento medida.
Para o caso em que nenhum evento em excesso foi observado como ocorre na maioria das vezes, apenas um limite sobre a sec¸˜ao de choque e massa dos WIMPs ´e colocado. Nas vezes que um excesso ´e medido, utilizamos um m´etodo chamado deχ2( ou otro com pr´oposito similar) para determinar qual o valor da sec¸˜ao de choque de espalhamento e massa que reproduz com o menor erro poss´ıvel a taxa de espalhamento dos eventos em excesso. Na pr´atica, terminamos com uma regi˜ao no plano sec¸˜ao de choque× massa que explica os eventos como pode ser visto na Fig.A.27. J´a o m´etodo de detecc¸˜ao indireta de ME se refere `a observac¸˜ao dos produtos finais
Figura 2.10: Espalhamento WIMP-N´ucleo [22].
oriundos da aniquilac¸˜ao de part´ıculas de ME (veja Fig.(2.10) ). Estes produtos finais podem ser dos mais diversos. Assim, qualquer que seja o canal de observac¸˜ao (f´otons, neutrinos, el´etrons, anti-pr´otons etc.) esse fluxo de part´ıculas do MP (Modelo Padr˜ao) oriundo da aniquilac¸˜ao de ME vai aparecer como um excesso ao fluxo esperado proveniente de processos astrof´ısicos.
Na tabela 2.1, exibimos qual a relac¸˜ao entre o sinal observado e o produto final da aniquilac¸˜ao de ME para um WIMP de 200 GeV de masssa. As part´ıculas que comp˜oem o sinal observado
4O fator de forma de Helm tarta o n´ucleo como uma esfera r´ıgida de raio R
obedecem a ordem da frac¸˜ao de energia carregada pela part´ıcula [23]. Por exemplo quando el´etrons s˜ao produzidos no estado final, a part´ıcula observada com mais energia ´e o el´etron. No caso em que o produto final s˜ao taus a maior parte da energia inicial dos taus ´e convertida em neutrinos e assim por diante.
Por exemplo quando WIMPs se aniquilam em bb, o sinal observado mais energ´etico ´e em f´otons e, em segundo lugar, em neutrinos. O mesmo ocorre quando gl´uons e quarks s˜ao o estado final decorrente da aniquilac¸˜ao de WIMPs e assim por diante. Agora que brevemente falamos
Estado final de aniquilac¸˜ao Sinal observado
e e,γ µ ν, e, γ τ ν, γ, e γ γ, ν, e ν ν, e, γ b γ, ν, e, p,D c γ, ν, e, p,D t γ, ν, e, p,D gl´uons γ, ν, e, p,D W ν, γ, e, p,D Z ν, γ, e, p,D
Tabela 2.1: Sinal observado da aniquilac¸˜ao de ME em func¸˜ao do estado final de aniquilac¸˜ao. Organizamos em ordem de energia carregada. Por exemplo quando quarks b s˜ao produzidos no estado final, a part´ıcula observada com mais energia ´e o f´oton. Ler texto para mais detalhes.
dos m´etodos de detecc¸˜ao direta e indireta de ME e das principais evidˆencias da existˆencia de ME, vamos apresentar os resultados originais desta tese que s˜ao baseados nos artigos publicados sobre os mesmos.
Por se tratar de uma tese, os resultados aqui apresentados foram discutidos com mais deta- lhes do que nos artigos de onde nos baseamos. Al´em disso, ´e v´alido salientar que o Apˆendice A foi escrito com o prop´osito de explicar muitos detalhes que s˜ao deixados de lado na escrita dos artigos, mas que s˜ao fundamentais para o entendimento dos resultados aqui apresentados.
No cap´ıtulo 2: Discutiremos uma extens˜ao m´ınima do MP capaz de explicar os dados observacionais do CoGeNT, CDMS e DAMA.
No cap´ıtulo 3: Abordaremos o problema da ME no contexto de um modelo 3-3-1.
No cap´ıtulo 4: Investigaremos o papel da ME na nucleoss´ıntese primordial e na Radiac¸˜ao C´osmica de Fundo (CMB).
No cap´ıtulo 5: Apresentaremos o resultado mais relevante desta tese, que trata da an´alise de dados do Sat´elite da Nasa, chamado Fermi-LAT, na busca por excessos de f´otons provenientes da aniquilac¸˜ao de WIMPs.