Detector de múons sensível à posição: busca da matéria escura no experimento COSINE-200 e aplicação em tomografia de múons

Resumo

As observações que estabeleceram a existência da matéria escura basearam-se em interações gravitacionais. Este aspecto não é suficiente para que se determine sua natureza, sendo, portanto, importante considerar a possibilidade de outros tipos de interação além da gravitacional. Nesse contexto, as interações fracas são em geral as mais consideradas, traduzindo-se na busca por WIMPs. Há um esforço global para a detecção dessas partículas e o experimento DAMA/LIBRA, que utiliza cristais de NaI(Tl), há muitos anos observa sinais atribuídos à modulação anual da taxa de eventos de matéria escura. Entretanto, nenhum experimento observou o mesmo tipo de sinal. O experimento COSINE-100, em operação desde 2016, foi concebido com o objetivo inicial de confirmar ou refutar as observações do experimento DAMA/LIBRA, utilizando 106 kg do mesmo material NaI(Tl). No contexto da análise de dados, múons constituem uma importante fonte de fundos, pois induzem eventos nos cristais na região de interesse para busca de matéria escura. Além disso, durante o ano o fluxo de múons apresenta uma modulação anual. Esses fatores podem influenciar significativamente no estudo da modulação anual. Considerando a atualização em andamento do experimento COSINE-100 para a versão COSINE-200, com 200 kg de cristais, um detector de múons sensível à posição é importante para a determinação de trajetórias no sentido de refinar o entendimento e eliminação dos eventos de fundo relacionados a múons. Além disso, detectores de múons sensíveis à posição possuem um enorme potencial na aplicação em tomografia de múons, ampliando os horizontes no contexto de pesquisa, desenvolvimento e formação de recursos humanos. Esse interesse é repartido com o Dr. Chang Hyon Ha da Chung-Ang University, Coréia do Sul. Sendo assim, neste projeto de cooperação bilateral, pretende-se desenvolver detectores de múons sensíveis à posição utilizando plásticos cintiladores e fibras ópticas com leitura feita por SiPMT visando a utilização no futuro experimento COSINE-200, assim como em tomografia não destrutiva de múons que pode ser abordada em vários contextos, como análise de espaços escondidos em grandes estruturas e potencialmente em aplicações médicas. (AU)