Observac¸˜ao de WIMPs pelos experimentos DAMA, CDMS-II e Co GeNT

J´a discutimos com certo detalhe cada um desses experimentos (DAMA, CDMS e CoGeNT) no Apˆendice A.6. Em suma o experimento DAMA tem observado ao longo de 13 anos com 8.9σ uma modulac¸˜ao na taxa de eventos de espalhamento [28]. O CoGeNT durante 56 dias (em fevereiro de 2010) observou 100 eventos em excesso ao background [29], e o CDMS [30] tamb´em observou 2 eventos em excesso consistentes com WIMPs (final de 2009).

Combinadas tais observac¸˜oes comp˜oem uma forte evidˆencia da descoberta de ME. Como o MP n˜ao possui um candidato `a ME, ele ´e incapaz de explicar estes resultados, mas como veremos adiante, essa extens˜ao m´ınima do MP fornecer´a uma explicac¸˜ao para esses eventos atrav´es de um neutrino est´eril como WIMP.

O espac¸o de parˆametros favorecido pelo CDMS e CoGeNT/DAMA s˜ao distintos, portanto iremos verificar se nosso modelo ´e capaz de explicar os resultados do CDMS e CoGeNT/DAMA separadamente.

Na Fig.(3.16) exibimos as regi˜oes (sec¸˜ao de choque _{× massa) favorecidas pelo CoGeNT} e DAMA para explicar suas observac¸˜oes. As regi˜oes em preto favorecidas pelo CoGeNT s˜ao para o caso que 30% (menor) e 50% (maior) dos 100 eventos observados pelo CoGeNT sejam devido a eventos de background (eventos de superf´ıcie)5.

As regi˜oes em verde s˜ao aquelas que explicam a modulac¸˜ao observada pelo DAMA com um n´ıvel de confianc¸a de 90% e 99%. Claramente pela Fig.(3.16), as regi˜oes favorecidas pelo CoGeNT e DAMA est˜ao desconectadas. Entretanto, as regi˜oes favorecidas pelos experimentos

5_{Quanto maior for a quantidade de eventos causados por WIMPs, melhor ser´a o ajuste aos dados. Portanto,}

menor a incerteza sobre a sec¸˜ao de choque_{× massa, e menor ser´a a regi˜ao no plano σ × massa que explica os} dados.

podem mudar dependendo do modelo de distribuic¸˜ao de ME e dos parˆametros relacionados a mesma como a velocidade de escape e velocidade de dispers˜ao dos WIMPs.

Al´em disto, a regi˜ao favorecida pelo CoGeNT pode ser deslocada dependendo do tipo de background (exponencial ou constante) que usamos como respons´avel por parte dos 100 eventos observados pelo CoGeNT, e no caso do DAMA se parte dos eventos ocorreram via o efeito de channeling, que muda a forma como a energia ´e depositada no espalhamento6.

Um exemplo claro disso pode ser visto em [31], que mostra que dependendo das suposic¸˜oes astrof´ısicas, as regi˜oes de CoGeNT e DAMA se conectam para um WIMP com massa de _∼ 8 GeV e sec¸˜ao de choque spin independente de 2_{× 10}−4 pb.

Os pontos em azul na Fig.(3.16) s˜ao os resultados do nosso modelo. H´a um aglomerado de pontos acima da regi˜ao favorecida pelo CoGeNT. Estes pontos s˜ao para o caso que 500 GeV< Mη < 2 TeV. Os outros pontos s˜ao para o caso que o escalar carregado η est´a desacoplado do modelo (Mη ≫ 2 TeV). Os pontos onde a massa do WIMP ´e menor que ∼ 10 GeV n˜ao est˜ao de acordo com os limites do LEP sobre a massa do escalar carregado. Os resultados com 100 GeV< Mη< 500 GeV n˜ao est˜ao mostrados nessa figura porque os mesmos fornecem uma abundˆancia suprimida para regi˜ao de massa do N mostrada na Fig.(3.16).

Iremos aqui apresentar apenas os resultados originais do artigo [24] de onde esse cap´ıtulo foi baseado. Entretanto uma atualizac¸˜ao dos resultados poderia ser feita diretamente, apenas inserindo na Fig.(3.16), a regi˜ao sec¸˜ao de choque-massa, que explica simultaneamente os resu- tados do CoGeNT e DAMA, apesar de n˜ao alterar em nada nossas conclus˜oes. As curvas na Fig.(3.16) s˜ao os v´ınculos do XENON10 e XENON100. Constatamos na figura que os con-

6_{Channeling se refere a forma como a energia ´e depositada por uma part´ıcula incidente nos cristais. Um WIMP}

pode eventualmente entrar no detector num canal onde n˜ao h´a nenhum cristal presente, de forma a depositar sua energia apenas parcialmente nos el´etrons dos n´ucleos, ou seja, em forma de ionizac¸˜ao. Com isto a calibrac¸˜ao feita pelo DAMA baseada em ionizac¸˜ao, que n˜ao leva em conta espalhamentos com channeling, deve ser alterada acarretando numa mudanc¸a quantitativa nos resultados. Esta mudanc¸a se traduz em deslocar a regi˜ao na Fig.(3.16).

Figura 3.16: As curvas s˜ao os limites do XENON-10 (laranja) e XENON-100 (violeta). Os contornos em pretos s˜ao as regi˜oes favorecidas pelo CoGeNT quando adicionamos um back- ground de 30% (menor) e 50% (maior). Em verde a regi˜ao favorecida pelo DAMA com 90% e 99% n´ıvel de confianc¸a supondo 100% de channeling. Regi˜oes retiradas de [32]. Todos os pontos acima fornecem a abundˆancia correta.

tornos favorecidos pelo CoGeNT e DAMA parecem estar exclu´ıdos pelo recentes limites do XENON. Entretanto, ´e preciso ressaltar que o XENON sofre de incertezas relacionadas a sua capacidade de observar eventos em baixas energias.

Como o XENON ´e um experimento baseado em cintilac¸˜ao e ionizac¸˜ao, o limiar de energia (eventos com energias menores que o limiar de energia n˜ao s˜ao observados) ´e determinado atrav´es de uma calibrac¸˜ao na grandeza chamada scintillation efficiency factor (eficiˆencia de cintilac¸˜ao), Le f f.

Portanto incertezas no Le f f ir˜ao imediatamente ter um impacto no limiar de energia do XENON, e assim na sua capacidade de observar ou n˜ao eventos em uma dada energia. Caso a eficiˆencia do XENON seja bastante pobre em baixas energias, a n˜ao observac¸˜ao de eventos

em tais energias pelo XENON poderia ser explicada. Ou seja, este fato explicaria porque o XENON n˜ao viu nenhum evento na regi˜ao de energia que o CoGeNT e DAMA observaram.

Essa incerteza no Le f f do XENON parece de fato se mostrar presente, conforme mostrado por diversos grupos independentemente [32, 33, 34, 35, 36]. Eles mostraram que o Le f f usado pelo XENON sofre de incertezas apreci´aveis, capazes de explicar o porquˆe o XENON n˜ao observou nenhum espalhamento de WIMP em seu detector.

Como consequˆencia dessa incerteza as curvas de exclus˜ao do XENON se moveriam para direita deixando parte das regi˜oes favorecidas pelo CoGeNT e DAMA livre de seus limites.

Em suma, na Fig.(3.16) mostramos que uma extens˜ao m´ınima do MP ´e capaz de explicar tanto os eventos observados pelo DAMA como aqueles observados pelo CoGeNT, possivel- mente respeitando os limites do XENON.

Agora iremos verificar se o modelo ´e tamb´em capaz de explicar os 2 eventos em excesso observados pelo CDMS-II. Um grupo de pesquisadores analisando os dados do CDMS-II mos- trou que um WIMP que possua uma sec¸˜ao de choque entre(10−7_{− 10}−8) pb com uma massa entre_{∼ (20 − 60) GeV seria capaz de explicar os dois eventos [34]. Assim na Fig.(3.17), mos-} tramos em azul o resultado do nosso modelo que explica os eventos reportados pelo CDMS-II e obedece os limites do XENON. Agora que apresentamos todos os resultados desse modelo seguiremos as conclus˜oes finais relativas a este modelo.

3.6

Conclus˜oes

Mostramos que uma simples extens˜ao m´ınima do MP, atrav´es da inserc¸˜ao de um neutrino de m˜ao direita est´eril (como WIMP), mais dois escalares singletos, um sendo carregado e outro neutro, ´e suficiente para obedecer os v´ınculos mais importantes relacionados `a sec¸˜ao de choque

Figura 3.17: Resultado do modelo capaz de explicar os dois eventos em excesso observados pelos CDMS-II.

WIMP-nucleon vindos do XENON.

Posteriormente provamos que nosso WIMP ´e capaz de explicar a modulac¸˜ao na taxa de espalhamento observada pelo DAMA e os eventos em excesso observados pelo CoGeNT e CDMS-II.

Agora que abordamos o problema da ME e discutimos algumas observac¸˜oes numa extens˜ao m´ınima do MP, podemos partir para um cen´ario mais complexo e interessante do ponto de vista de f´ısica de part´ıculas que ´e o modelo 3-3-1.

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Detecc¸˜ao Direta e Indireta de Mat´eria