Observação do efeito Migdal em TPC com leitura óptica

Resumo

Esse projeto de pesquisa propõe o desenvolvimento de um experimento baseado em Câmaras de Projeção Temporal (TPC) à gás com leitura ótica 3D para medição do efeito Migdal, previsto e calculado em 1941 por A. B. Migdal, porém ainda não observado em colisões nucleares, apenas em decaimentos radioativos de poucos elementos. O efeito Migdal refere-se à possibilidade de uma excitação repentina ou ionização de um átomo que recua em um espalhamento elástico, devido ao deslocamento defasado entre a nuvem eletrônica e o núcleo. A importância de observar o efeito Migdal reside no fato que o efeito pode ser explorado para reduzir efetivamente os limiares de detecção de recuos nucleares (NR) observados em buscas diretas de Matéria Escura (DM). A presença dominante de DM no Universo é um sólido paradigma científico atual, e sua descoberta representa uma das tarefas mais admiráveis e desafiadoras para a física fundamental. A atual falta de evidências de DM em buscas indiretas, diretas, e em colisores direcionou a atenção para massas de candidatos à DM menores que 1 GeV, onde o espaço de parâmetros ainda é teoricamente bem apoiado, porém, bastante inexplorado, uma vez que as tecnologias atuais não atingem os limites de energia sub-keV para os NR, necessários para a observação de DM com massas pequenas. De maneira semelhante existem propostas de aumentar a sensibilidade de detectores de neutrinos solares explorando o efeito Migdal no processo de espalhamento coerente neutrino-núcleo. Por todas essas razões, acreditamos que a observação experimental do efeito Migdal é de importância fundamental e muito oportuna para pesquisas atuais em DM e outras áreas da física de partículas. Consideramos que a abordagem experimental para detecção direcional de DM usando TPCs, perfeitamente adequada para essa medida. Pretendemos usar uma TPC com $\sim$ 50 litros de He/Ar:CF4 com leitura óptica combinada de PMTs e uma câmera sCMOS de alta resolução para a reconstrução 3D de precisão. Nesse projeto pretendemos otimizar o desenho da TPC para a medida do efeito Migdal, considerando as condições experimentais em um feixe de nêutrons de grande fluxo como fonte de partículas incidentes. (AU)