Detecção Direta

A detecção direta de matéria escura consiste em medir a energia depositada pelos WIMPs, no núcleo que compõem o detector [83]. Embora o fluxo de WIMPs seja con- siderável, a interação WIMP-núcleo é muito fraca, portanto a energia a ser medida é muito pequena, da ordem de KeV. Entretanto, essa energia é grande o suficiente para arrancar elétrons dos núcleos e produzir uma vibração na cadeia de núcleos. Essa vibra- ção provocará um aumento da temperatura do detector, e consequentemente a energia depositada poderá ser medida em fônons. A medida precisa de como essa energia é depositada no núcleo permite discriminar eventos causados por partículas carregadas como elétrons, múons e alfa, daqueles provenientes de partículas desprovidas de cargas elétricas, como nêutrons e WIMPs. Os eventos produzidos por partículas carregadas dão origem a grande quantidade de energia de ionização. Neste tipo de evento as partícu- las incidentes interagem principalmente com os elétrons e os espalhamentos provocados na superfície do detector são chamados de espalhamentos eletrônicos. Os espalhamen- tos nucleares são caracterizados pela produção de energia em fônons. Um nêutron, por exemplo, deposita na superfície do detector quase toda sua energia em fônons. Esses espalhamentos são provocados por partículas neutras.

Para aumentar a precisão das medidas, os equipamentos experimentais se loca- lizam em ambientes subterrâneos. Os detectores possuem coberturas que diminuem a passagem de nêutrons, pois essas partículas podem gerar espalhamentos nucleares no detector que são indistinguíveis das possíveis interações dos WIMPs. Para evitar a inter- ferência do detector nas medidas é ideal que os mesmos sejam constituídos de materiais livres de isótopos radioativos.

Conhecendo precisamente a quantidade de decaimento radioativo que aconte- cem no detector, qualquer evento em excesso é um possível espalhamento causado por WIMPs. A taxa de espalhamento depende de muitos fatores, por exemplo, seção de cho- que de espalhamento, distribuição de velocidades, fator de forma nuclear e a massa do

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WIMP.

O CDMS II (Cryogenic Dark Matters Search) é um dos experimentos, cujo obje- tivo é detectar diretamente as partículas de matéria escura usando as técnica de ioniza- ção e calor. Os resultados publicados em 2012, pela colaboração CDMS II, mostram que dois eventos em excesso foram observados. Entretanto, esses eventos não foram inter- pretados como evidência significativa das interações de WIMPs, mas vale ressaltar que os mesmos não foram descartados para tal finalidade [84, 85]. Surgiram, na literatura, propostas para explicar tais eventos, porém a colaboração CDMS não observou nenhum evento que indique a existência de WIMPs. .

O DAMA (Dark Matter) [86], assim como o CDMS II, tem como propósito detec- tar a matéria escura via detecção direta. Porém, o DAMA não discrimina espalhamentos nucleares de espalhamento eletrônicos, mas determina se um evento ocorreu em um de- tector ou em vários detectores. Caso ocorra em vários detectores, a possibilidade de tal evento ter sido realizado por um WIMP é extremamente pequena, devido a sua seção de choque ser muito pequena. A análise dos resultados do DAMA se baseia na modulação anual, que é um sinal esperado por qualquer WIMP capaz de espalhar os detectores na terra. Quando a velocidade da terra se soma à velocidade do sistema solar relativa à galáxia, o fluxo de WIMP aumenta e diminui quando a velocidade da terra se opõe. Por- tanto, o sinal do WIMP tem um período anual, sendo máximo em torno de 2 de junho e mínimo em 2 de dezembro. A colaboração DAMA verificou essa modulação na faixa de energia (2 - 6) KeV [87].

A detecção direta de WIMPs é usada também pelo CoGeNT. A técnica usada para separar espalhamentos eletrônicos e nucleares é baseada em um tempo de retarda- mento. Os elétrons produzidos devido ao espalhamento eletrônico levarão mais tempo para responderem ao campo elétrico, que é fraco, na superfície do detector. Enquanto aqueles produzidos por espalhamentos nucleares, os quais ocorrem na região mais in- terna do detector, terão um tempo de resposta mais rápido, tendo grande probabilidade de ser um evento causado por um WIMP.

de massa (7 - 10)GeV e seção de choque de espalhamento da ordem de 10−41_cm−2 _[88].

Esses eventos apresentam uma modulação anual consistente com o DAMA. No entanto há incertezas na discriminação dos espalhamentos eletrônicos e nucleares. Os resultados são insuficientes para garantir a existência de WIMPs.

A análise dos resultados do DAMA [87] embora seja compatível com as análises do CoGeNT, indica incompatibilidade com as interpretações do XENON100 [89]. No en- tanto há, tentativas de compatibilizá-los [90], apoiados no fato de que o XENON100 não é sensível a WIMPs de pequenas massas (∼7 GeV). O XENON100 além de diferenciar os espalhamentos nucleares e eletrônicos, reconstroi a posição tridimensional da interação no detector. Esse procedimento permite selecionar um volume interno na superfície do detector.

A colaboração XENON100 registrou 3 eventos em excesso, com características de eventos causados por WIMPs, em um volume interno de 48 kg. Embora nenhuma evi- dência significatica de matéria escura tenha sido encontrada, esses resultados foram úteis para a imposição de vínculos restritivos na seção de choque dos WIMPs. Posteriormente a colaboração XENON100 registrou mais 2 eventos com características semelhantes, e suas interpretações continuam desafiando as interpretações dos resultados não apenas do DAMA e do ConGeNT como também do CRESST-II [91].

Os dados dos CRESST - II revelaram a ocorrência de 77 eventos com caracterís- ticas de espalhamentos nucleares, na região de aceitação de WIMPs de baixa energia, aproximadamente 40 KeV. Algumas fontes como, neutrons e partículas α, poderiam con- tribuir para a ocorrência desses eventos, entretanto essas fontes não foram suficientes para explicar os dados. A adição de um sinal devido ao espalhamento de WIMPs, re- lativamente leve, poderia explicar a discrepância. Os resultados do CRESST - II foram utilizados apenas para determinar alguns parâmetros associados aos WIMPs.

Outro experimento destinado a detectar a matéria escura diretamente é o LUX [10]. Os 160 eventos observados pela colaboração LUX são consistentes com fundos pre- vistos por espalhamentos eletrônicos. Além disso, os dados do LUX estão em desacordo com as interpretações de sinais de WIMPs de baixa massa de muitos outros experimen-

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tos.

Os resultados mais recentes, de experimentos propostos para detectar a matéria escura, foram divulgados pela colaboração PICO, e nenhum sinal de matéria escura foi comprovado [11]. Como os detectores do PICO capturam transição de fase, os dados ex- traídos mostram o comportamento da energia em função da temperatura e da pressão da superfície do detector. A sensibilidade dos detectores PICO estão no intervalo de 0,9 KeV a 800 KeV. Partículas como raios cósmicos, muóns e radiação γ e β são detectáveis acima de 50◦

C (1 KeV) enquanto os WIMPs são detectáveis acima de 30◦

C (100KeV). Apesar dos detectores PICO serem extremamente sensíveis a partículas α, a colaboração PICO afirma que é possível fazer a distinção entre os eventos produzidos pelas partículas α e pelos WIMPs, uma vez que essas partículas dão respostas diferentes quando interagem com a superfície do detector.

A colaboração PICO observou 12 eventos caracterizados por espalhamentos nu- cleares. Entretanto esses eventos não foram tratados como evidência de matéria escura mas como um fundo desconhecido cuja investigação ainda está em andamento [11].

Assim detectar WIMPs por esse método exige cuidados rigorosos e constitui um desafio experimental. Temos, ainda, muitos outros experimentos com o mesmo objetivo, porém seus resultados não acrescentam muito aos resultados anteriores.