Busca da matéria escura por meio de detecção direta: reconstrução e estudo de eventos gerados por múons no experimento COSINE-100

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Responsável: 
Orientador: 
Atividade: 
Pós-Graduação
Situação do Projeto: 
Em andamento

Resumo: A existência de matéria escura provem principalmente de interações gravitacionais observadas em corpos celestes distantes. Contudo, somente essas observações não são capazes de revelar a verdadeira natureza da matéria escura. Para tal existem diversos experimentos utilizando-se de várias hipóteses. Uma delas, que será utilizada neste trabalho, é a de que a matéria escura interage por força gravitacional e força fraca, sendo o que se chama de Week Interaction Massive Particle (WIMP). As atividades experimentais de busca pela matéria escura estão divididas em três frentes que constituem metodologias de investigação complementares: métodos de detecção direta e indireta e produção em colliders, como o LHC. Sendo assim, neste projeto pretende-se realizar pesquisa experimental relacionada à detecção direta da matéria escura, em particular WIMPs, por meio do experimento COSINE-100 (106 kg de cristais de NaI(Tl)) instalado em laboratório subterrâneo na Coréia do Sul. A ênfase inicial reside na confirmação ou não dos resultados do experimento DAMA/LIBRA, que sugerem a existência de DM pela verificação de uma modulação anual na taxa de eventos devida ao movimento da Terra ao redor do Sol e deste em relação ao halo galáctico, fato que traria variações ao longo do ano do “vento” de WIMPs que chegaria ao detector. Os resultados do DAMA/LIBRA já foram refutados por outros experimentos que apresentaram resultados nulos, contudo o DAMA/LIBRA constitui o único que teve resultados não-nulos para medição da natureza da matéria escura, por isso vale a pena investigar a validade de suas conclusões, como já apontado no artigo da colaboração COSINE-100 publicado na revista Nature. Adicionalmente, pretende-se também em médio prazo investigar aspectos relacionados à física além do modelo padrão, em particular a existência de fótons escuros que atuariam como mediadores das interações com o modelo padrão. Paralelamente, já foram iniciadas discussões a respeito de futura atualização do experimento para a versão COSINE-200 (200 kg de cristais de NaI(Tl). Nesse contexto, o estudo detalhado de eventos relacionados a múons no experimento COSINE-100, incluindo a modulação anual e fluxo, toma papel importante para distinção de eventos relacionados a múons de eventos relacionados a interação de matéria escura. Múons são partículas carregadas provenientes de decaimentos de outras partículas na alta atmosfera, como píons e káons, por exemplo, que são observadas em “chuveiros” provindos da interação de raios cósmicos com a atmosfera. O decaimento dessas partículas tem energia suficiente para produzir múons relativísticos. Por serem relativísticos, esses múons sobrevivem o suficiente para alcançar não apenas a superfície da terra, como também o interior de laboratórios subterrâneos por terem alta energia, sendo, portanto, visíveis em nossos detectores. Do ponto de vista da detecção direta de matéria escura, esses múons energéticos podem espalhar nêutrons, cujo sinal detectado pode ser confundido com o sinal de uma partícula candidata a matéria escura , o que pode levar a falsas conclusões se não forem levados em conta. Além disso, devido à variação em condições atmosféricas (como densidade e temperatura), observa-se uma modulação anual da taxa de múons. Essa modulação não explica o que foi observado pelo experimento DAMA/LIBRA, pois existe uma diferença de fase entre a modulação dos múons e da modulação esperada para WIMPs e os valores simulados para eventos resultantes de interação dos múons são bem menores que os valores observados. Dessa forma, justifica-se o estudo do fluxo de múons, tanto na superfície como no laboratório subterrâneo, a fim de conhecer os eventos causados direta e indiretamente pelos múons. Assim, pretende-se diferenciar eventos e modulações existentes devido a múons e devido a candidatos a matéria escura. Nesse trabalho, iniciou-se a familiarização com as ferramentas e linguagens de programação utilizadas e os primeiros estudos de direcionamento do fluxo de múons nos detectores do experimento COSINE-100, bem como o planejamento dos próximos estudos e análises que serão realizados.