A Busca por Partículas Milicarregadas
Uma imersão na busca por partículas milicarregadas elusivas na física de partículas.
J. Aalbers, D. S. Akerib, A. K. Al Musalhi, F. Alder, C. S. Amarasinghe, A. Ames, T. J. Anderson, N. Angelides, H. M. Araújo, J. E. Armstrong, M. Arthurs, A. Baker, S. Balashov, J. Bang, J. W. Bargemann, E. E. Barillier, D. Bauer, K. Beattie, T. Benson, A. Bhatti, A. Biekert, T. P. Biesiadzinski, H. J. Birch, E. Bishop, G. M. Blockinger, B. Boxer, C. A. J. Brew, P. Brás, S. Burdin, M. Buuck, M. C. Carmona-Benitez, M. Carter, A. Chawla, H. Chen, J. J. Cherwinka, Y. T. Chin, N. I. Chott, M. V. Converse, R. Coronel, A. Cottle, G. Cox, D. Curran, C. E. Dahl, I. Darlington, S. Dave, A. David, J. Delgaudio, S. Dey, L. de Viveiros, L. Di Felice, C. Ding, J. E. Y. Dobson, E. Druszkiewicz, S. Dubey, S. R. Eriksen, A. Fan, S. Fayer, N. M. Fearon, N. Fieldhouse, S. Fiorucci, H. Flaecher, E. D. Fraser, T. M. A. Fruth, R. J. Gaitskell, A. Geffre, J. Genovesi, C. Ghag, A. Ghosh, R. Gibbons, S. Gokhale, J. Green, M. G. D. van der Grinten, J. J. Haiston, C. R. Hall, T. J. Hall, S. Han, E. Hartigan-O'Connor, S. J. Haselschwardt, M. A. Hernandez, S. A. Hertel, G. Heuermann, G. J. Homenides, M. Horn, D. Q. Huang, D. Hunt, E. Jacquet, R. S. James, J. Johnson, A. C. Kaboth, A. C. Kamaha, Meghna K. K., D. Khaitan, A. Khazov, I. Khurana, J. Kim, Y. D. Kim, J. Kingston, R. Kirk, D. Kodroff, L. Korley, E. V. Korolkova, H. Kraus, S. Kravitz, L. Kreczko, V. A. Kudryavtsev, C. Lawes, D. S. Leonard, K. T. Lesko, C. Levy, J. Lin, A. Lindote, W. H. Lippincott, M. I. Lopes, W. Lorenzon, C. Lu, S. Luitz, P. A. Majewski, A. Manalaysay, R. L. Mannino, C. Maupin, M. E. McCarthy, G. McDowell, D. N. McKinsey, J. McLaughlin, J. B. McLaughlin, R. McMonigle, E. Mizrachi, A. Monte, M. E. Monzani, J. D. Morales Mendoza, E. Morrison, B. J. Mount, M. Murdy, A. St. J. Murphy, A. Naylor, H. N. Nelson, F. Neves, A. Nguyen, C. L. O'Brien, I. Olcina, K. C. Oliver-Mallory, J. Orpwood, K. Y Oyulmaz, K. J. Palladino, J. Palmer, N. J. Pannifer, N. Parveen, S. J. Patton, B. Penning, G. Pereira, E. Perry, T. Pershing, A. Piepke, Y. Qie, J. Reichenbacher, C. A. Rhyne, A. Richards, Q. Riffard, G. R. C. Rischbieter, E. Ritchey, H. S. Riyat, R. Rosero, T. Rushton, D. Rynders, D. Santone, A. B. M. R. Sazzad, R. W. Schnee, G. Sehr, B. Shafer, S. Shaw, T. Shutt, J. J. Silk, C. Silva, G. Sinev, J. Siniscalco, R. Smith, V. N. Solovov, P. Sorensen, J. Soria, I. Stancu, A. Stevens, K. Stifter, B. Suerfu, T. J. Sumner, M. Szydagis, D. R. Tiedt, M. Timalsina, Z. Tong, D. R. Tovey, J. Tranter, M. Trask, M. Tripathi, A. Usón, A. Vacheret, A. C. Vaitkus, O. Valentino, V. Velan, A. Wang, J. J. Wang, Y. Wang, J. R. Watson, L. Weeldreyer, T. J. Whitis, K. Wild, M. Williams, W. J. Wisniewski, L. Wolf, F. L. H. Wolfs, S. Woodford, D. Woodward, C. J. Wright, Q. Xia, J. Xu, Y. Xu, M. Yeh, D. Yeum, W. Zha, E. A. Zweig
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Índice
- O Que São Partículas Milimétricas?
- O Experimento LUX-ZEPLIN
- Raios Cósmicos e Interações Atmosféricas
- Buscando por mCPs
- Importância Teórica dos mCPs
- Modelos de Interação
- A Configuração Experimental
- Desafios na Detecção
- Ruído de Fundo
- Resultados e Descobertas
- Direções Futuras
- Conclusão
- Fonte original
- Ligações de referência
A busca por partículas com carga milimétrica (mCPs) é um assunto fascinante na física de partículas. Simplificando, mCPs são partículas teóricas que carregam uma fração minúscula da carga de um elétron. Pense nelas como pequenas "musguinhas elétricas" que têm só um pouquinho de carga elétrica. Os pesquisadores estão super empolgados pra encontrar essas partículas esquivas, já que elas podem dar pistas sobre os segredos do universo.
O Que São Partículas Milimétricas?
Partículas milimétricas não são partículas normais. Comparadas às partículas comuns, elas têm uma carga elétrica bem menor, o que faz delas difíceis de encontrar. Essas partículas podem aparecer em várias teorias, incluindo teoria das cordas e teorias de unificação. Elas também podem interagir com a matéria escura, que é um tipo de matéria que não emite luz e não é observável diretamente. Em termos simples, se partículas normais são como celebridades conhecidas, mCPs são como uma famosa que apareceu em uns posts de rede social.
O Experimento LUX-ZEPLIN
Um dos principais esforços para encontrar mCPs aconteceu no experimento LUX-ZEPLIN (LZ). Localizada a 1470 metros de profundidade, essa instalação é como uma base secreta pra cientistas que tentam desvendar os mistérios do universo. O experimento LZ usa uma câmara de projeção de tempo de xenônio de dupla fase, que é uma maneira chique de dizer que tem um sistema que consegue detectar pequenos sinais de energia produzidos pelas interações entre partículas. A equipe por trás desse experimento recentemente começou uma busca por mCPs gerados por Raios Cósmicos—esses partículas energéticas que viajam pelo espaço e colidem com a atmosfera da Terra.
Raios Cósmicos e Interações Atmosféricas
Raios cósmicos são como a maneira do universo de manter as coisas interessantes. Quando eles colidem com átomos na nossa atmosfera, criam uma cascata de partículas secundárias. Algumas dessas interações podem produzir mCPs por meio de dois processos conhecidos: decaimento de mésons e bremsstrahlung de prótons.
- Decaimento de Mésons: É quando mésons, um tipo de partícula, se transformam em outras partículas, incluindo mCPs.
- Bremsstrahlung de Prótons: Nesse cenário, um próton de raio cósmico colide com um átomo e produz mCPs pela emissão de fótons.
Dá pra dizer que esses processos são como raios cósmicos fazendo uma festa louca na atmosfera, onde às vezes os mCPs são convidados!
Buscando por mCPs
Durante sua primeira rodada científica, o experimento LZ registrou dados por cerca de 60 dias, na esperança de encontrar sinais de mCPs. Os pesquisadores adotaram uma abordagem única, utilizando as propriedades do xenônio líquido (LXe) para melhorar suas buscas.
Imagine tentar encontrar uma agulha minúscula em um gigantesco feno. É isso que buscar mCPs parece. A busca exigiu equipamentos super sensíveis para captar até os sinais mais fracos dessas partículas leves. Infelizmente, os pesquisadores não encontraram nenhum excesso significativo de mCPs em relação ao Ruído de Fundo esperado, que é como ouvir grilos quando você queria ouvir uma banda de rock.
Importância Teórica dos mCPs
Mesmo que a busca não tenha dado resultados imediatos, a busca por partículas milimétricas é importante. A existência de mCPs poderia desafiar nossa compreensão atual da física de partículas e esclarecer a natureza da matéria escura. Cientistas sugerem que mCPs poderiam representar uma pequena fração da matéria escura, o que é emocionante porque a matéria escura é um dos maiores mistérios do universo. Se essas partículas pequenas existirem, seria como encontrar uma peça de quebra-cabeça que deixa a imagem mais clara.
Modelos de Interação
Para entender como os mCPs poderiam se comportar, os pesquisadores consideram diferentes modelos de interação. Esses modelos descrevem como os mCPs reagiriam quando encontram outras partículas no detector.
- Modelo de Elétrons Livres: Esse modelo assume que todos os elétrons no LXe estão livres para se mover. É como uma festa onde todo mundo dança livremente sem preocupações.
- Modelo de Ionização por Absorção de Fótons (PAI): Esse modelo considera que alguns elétrons estão presos a átomos e precisam se esforçar mais para participar da dança. É como uma festa onde alguns convidados estão encostados no canto e precisam de um empurrãozinho pra entrar na diversão.
Ao rodar simulações com esses dois modelos, os pesquisadores podem determinar melhor que tipo de sinais podem esperar das interações com mCPs. Isso é crucial pra descobrir se conseguiram identificar um mCP ou se é só o ruído de fundo fazendo truques.
A Configuração Experimental
O equipamento do experimento LZ é impressionante. A configuração consiste em uma grande câmara cilíndrica cheia de xenônio líquido, cercada por camadas de materiais protetores adicionais.
A câmara captura os sinais das interações de partículas, criando dois tipos distintos de sinais que os cientistas analisam: luz de cintilação e elétrons de ionização. A dança complexa desses sinais ajuda os pesquisadores a descobrir onde e quando ocorreu uma interação de partículas.
Além disso, a equipe do LZ usa vários detectores pra garantir que os sinais sejam genuínos e não apenas ruído aleatório. É como ter seguranças na festa pra garantir que nenhum convidado não convidado estrague a diversão.
Desafios na Detecção
Encontrar mCPs não é fácil. A energia depositada por mCPs durante as interações é muitas vezes muito pequena, o que dificulta a detecção. Pra captar esses depósitos minúsculos, os pesquisadores precisam estar sempre prontos. Eles devem distinguir entre sinais reais de mCP e ruído de fundo de forma eficaz.
Os pesquisadores também têm que considerar que, à medida que os mCPs viajam pelas camadas da Terra, eles perdem energia. Então, pelo momento que chegam aos detectores, podem não ter energia suficiente pra gerar um sinal detectável. Isso é como convidados numa festa ficando cansados e indo embora antes de se divertirem.
Ruído de Fundo
O experimento LZ também enfrenta ruído de fundo, que pode imitar os sinais esperados de mCPs. Dois tipos principais de sinais de fundo podem confundir os pesquisadores:
- Eventos de Dispersão Única: Eventos onde um sinal verdadeiro se sobrepõe a sinais menores e aleatórios causados pelo ambiente.
- Eventos de Dispersão Múltipla: Sinais de fundo provenientes da atividade do próprio detector, como fantasmas assombrando uma festa.
Pra lidar com esses imitações incômodas, os pesquisadores desenvolveram critérios de seleção rigorosos pra filtrar sinais falsos e focar em interações genuínas. Essa triagem cuidadosa é necessária pra garantir que a busca por mCPs seja o mais precisa possível.
Resultados e Descobertas
Depois de todo o trabalho duro e a implementação de várias técnicas, a equipe do LZ concluiu que não detectou nenhum mCPs durante sua primeira rodada científica. Esse resultado está alinhado com as expectativas baseadas nos modelos de fundo. Apesar da falta de descobertas emocionantes, os esforços da equipe contribuíram para uma melhor compreensão dos possíveis mCPs e estabeleceram restrições sobre sua existência.
Os pesquisadores também colheram informações valiosas que ajudarão em futuros designs experimentais voltados à detecção de mCPs. O trabalho deles funciona como um bloco de construção na física de partículas, abrindo caminho pra futuros estudos e avanços na área.
Direções Futuras
Embora a busca por mCPs nesta rodada específica não tenha sido bem-sucedida, a equipe do LZ continua otimista. As futuras rodadas construirão a partir do conhecimento adquirido com essa experiência e incorporarão técnicas e métodos melhorados.
A busca por mCPs continua, e os pesquisadores vão continuar explorando vários canais de produção e modelos. À medida que a tecnologia avança, pode haver uma descoberta que os ajude a capturar essas partículas esquivas. Até lá, a comunidade científica vai manter as luzes acesas na festa da física de partículas, esperando por um convidado surpresa surgir.
Conclusão
A busca por partículas milimétricas representa um capítulo empolgante na física de partículas. Embora o experimento LZ não tenha encontrado mCPs em sua primeira rodada, o conhecimento adquirido e as restrições estabelecidas fornecem uma base sólida para futuras buscas. A jornada de descobertas continua, e os pesquisadores permanecem dedicados a desvendar os mistérios do universo, mesmo que esses mistérios venham com uma carga pequena!
Fonte original
Título: First search for atmospheric millicharged particles with the LUX-ZEPLIN experiment
Resumo: We report on a search for millicharged particles (mCPs) produced in cosmic ray proton atmospheric interactions using data collected during the first science run of the LUX-ZEPLIN experiment. The mCPs produced by two processes -- meson decay and proton bremsstrahlung -- are considered in this study. This search utilized a novel signature unique to liquid xenon (LXe) time projection chambers (TPCs), allowing sensitivity to mCPs with masses ranging from 10 to 1000 MeV/c$^2$ and fractional charges between 0.001 and 0.02 of the electron charge e. With an exposure of 60 live days and a 5.5 tonne fiducial mass, we observed no significant excess over background. This represents the first experimental search for atmospheric mCPs and the first search for mCPs using an underground LXe experiment.
Autores: J. Aalbers, D. S. Akerib, A. K. Al Musalhi, F. Alder, C. S. Amarasinghe, A. Ames, T. J. Anderson, N. Angelides, H. M. Araújo, J. E. Armstrong, M. Arthurs, A. Baker, S. Balashov, J. Bang, J. W. Bargemann, E. E. Barillier, D. Bauer, K. Beattie, T. Benson, A. Bhatti, A. Biekert, T. P. Biesiadzinski, H. J. Birch, E. Bishop, G. M. Blockinger, B. Boxer, C. A. J. Brew, P. Brás, S. Burdin, M. Buuck, M. C. Carmona-Benitez, M. Carter, A. Chawla, H. Chen, J. J. Cherwinka, Y. T. Chin, N. I. Chott, M. V. Converse, R. Coronel, A. Cottle, G. Cox, D. Curran, C. E. Dahl, I. Darlington, S. Dave, A. David, J. Delgaudio, S. Dey, L. de Viveiros, L. Di Felice, C. Ding, J. E. Y. Dobson, E. Druszkiewicz, S. Dubey, S. R. Eriksen, A. Fan, S. Fayer, N. M. Fearon, N. Fieldhouse, S. Fiorucci, H. Flaecher, E. D. Fraser, T. M. A. Fruth, R. J. Gaitskell, A. Geffre, J. Genovesi, C. Ghag, A. Ghosh, R. Gibbons, S. Gokhale, J. Green, M. G. D. van der Grinten, J. J. Haiston, C. R. Hall, T. J. Hall, S. Han, E. Hartigan-O'Connor, S. J. Haselschwardt, M. A. Hernandez, S. A. Hertel, G. Heuermann, G. J. Homenides, M. Horn, D. Q. Huang, D. Hunt, E. Jacquet, R. S. James, J. Johnson, A. C. Kaboth, A. C. Kamaha, Meghna K. K., D. Khaitan, A. Khazov, I. Khurana, J. Kim, Y. D. Kim, J. Kingston, R. Kirk, D. Kodroff, L. Korley, E. V. Korolkova, H. Kraus, S. Kravitz, L. Kreczko, V. A. Kudryavtsev, C. Lawes, D. S. Leonard, K. T. Lesko, C. Levy, J. Lin, A. Lindote, W. H. Lippincott, M. I. Lopes, W. Lorenzon, C. Lu, S. Luitz, P. A. Majewski, A. Manalaysay, R. L. Mannino, C. Maupin, M. E. McCarthy, G. McDowell, D. N. McKinsey, J. McLaughlin, J. B. McLaughlin, R. McMonigle, E. Mizrachi, A. Monte, M. E. Monzani, J. D. Morales Mendoza, E. Morrison, B. J. Mount, M. Murdy, A. St. J. Murphy, A. Naylor, H. N. Nelson, F. Neves, A. Nguyen, C. L. O'Brien, I. Olcina, K. C. Oliver-Mallory, J. Orpwood, K. Y Oyulmaz, K. J. Palladino, J. Palmer, N. J. Pannifer, N. Parveen, S. J. Patton, B. Penning, G. Pereira, E. Perry, T. Pershing, A. Piepke, Y. Qie, J. Reichenbacher, C. A. Rhyne, A. Richards, Q. Riffard, G. R. C. Rischbieter, E. Ritchey, H. S. Riyat, R. Rosero, T. Rushton, D. Rynders, D. Santone, A. B. M. R. Sazzad, R. W. Schnee, G. Sehr, B. Shafer, S. Shaw, T. Shutt, J. J. Silk, C. Silva, G. Sinev, J. Siniscalco, R. Smith, V. N. Solovov, P. Sorensen, J. Soria, I. Stancu, A. Stevens, K. Stifter, B. Suerfu, T. J. Sumner, M. Szydagis, D. R. Tiedt, M. Timalsina, Z. Tong, D. R. Tovey, J. Tranter, M. Trask, M. Tripathi, A. Usón, A. Vacheret, A. C. Vaitkus, O. Valentino, V. Velan, A. Wang, J. J. Wang, Y. Wang, J. R. Watson, L. Weeldreyer, T. J. Whitis, K. Wild, M. Williams, W. J. Wisniewski, L. Wolf, F. L. H. Wolfs, S. Woodford, D. Woodward, C. J. Wright, Q. Xia, J. Xu, Y. Xu, M. Yeh, D. Yeum, W. Zha, E. A. Zweig
Última atualização: 2024-12-10 00:00:00
Idioma: English
Fonte URL: https://arxiv.org/abs/2412.04854
Fonte PDF: https://arxiv.org/pdf/2412.04854
Licença: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Alterações: Este resumo foi elaborado com a assistência da AI e pode conter imprecisões. Para obter informações exactas, consulte os documentos originais ligados aqui.
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