Uma equipa internacional, liderada por investigadores da Universidade de Coimbra (UC), estudou um novo tipo de emissão de cintilação que ocorre no gás xénon e que tem impacto nos detetores de matéria escura e de neutrinos.

O trabalho, acabado de publicar na prestigiada Physical Review X (PRX), revista da Sociedade Americana de Física, foi idealizado e realizado pelos investigadores Cristina Monteiro e Carlos Henriques, do Laboratório de Instrumentação, Engenharia Biomédica e Física da Radiação (LIBPhys) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC), no âmbito da colaboração internacional NEXT.

Este estudo, explica Cristina Monteiro, “revelou, inequivocamente, a existência da emissão de um tipo de cintilação no gás xénon até agora ignorada pelos cientistas. A dispersão de eletrões em átomos neutros no gás xénon dá origem a um novo tipo de emissão de luz que afetará a sensibilidade dos detetores da pesquisa de matéria escura e da física de neutrinos”.

Quando a radiação ionizante interage com o xénon “são emitidas grandes quantidades de luz ultravioleta em comprimentos de onda específicos – uma ‘eletroluminescência’ que é aproveitada em pesquisas de matéria escura e detetores de neutrinos”, diz a investigadora da FCTUC. No entanto, esclarece,  “os investigadores não estavam cientes da presença de outra emissão de luz, mais fraca, numa gama de comprimento de onda mais ampla, que se estende desde o ultravioleta até ao infravermelho próximo. Os cientistas explicavam os impulsos de luz correspondentes como sendo devido a impurezas no gás. Neste estudo mostramos que, em vez disso, esses impulsos correspondem a sinais de um novo tipo de luz emitida em xénon, causada pela dispersão de eletrões em átomos neutros”.

Com esta descoberta, salienta Cristina Monteiro,  “os cientistas,  agora, sabem que descobrir matéria escura e observar neutrinos requer mais do que apenas purificar melhor o xénon dentro dos grandes sistemas de deteção. Os investigadores devem também separar a luz correspondente à radiação de travagem neutra para otimizar o design dos detetores e melhorar a sua sensibilidade”.

Para chegar a esta conclusão, a equipa da FCTUC, que inclui ainda Joana Teixeira, aluna de doutoramento, realizou os estudos num sistema de laboratório de pequenas dimensões, expressamente concebido para esse fim, e também identificou essa luz, apelidada de radiação de travagem neutra, no detetor da experiência internacional NEXT, de grandes dimensões, um detetor de partículas alojado num laboratório subterrâneo em Espanha.

“Dado o pequeno tamanho do detetor utilizado no LIBPhys-UC, a pureza do gás xénon no seu interior é muito bem controlada. Além disso, permite isolar com precisão a emissão de cintilação de uma região específica do detetor e estudar essa emissão sob condições muito bem controladas, tanto quando a eletroluminescência ocorre como quando esta não ocorre. Isso permite aos investigadores observar e estudar a emissão de cintilação para além da eletroluminescência. Simultaneamente, um modelo teórico robusto para a designada radiação de travagem neutra descreve muito bem os resultados experimentais e permite atribuir, inequivocamente, o mecanismo de cintilação observado à radiação de travagem neutra”, relata ainda Cristina Monteiro.

O artigo científico está disponível em: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.021005.

Fotos: UC e DR.