UFABC participa de um dos maiores experimentos de física de partículas atuais: o DUNE

Dedicado ao estudo dos misteriosos neutrinos, o Deep Underground Neutrino Experiment, DUNE, reúne mais de 1400 cientistas de mais de 30 países e busca responder questões fundamentais sobre essas partículas, estabelecendo-se como uma das maiores colaborações de física de partículas atuais. A UFABC faz parte desse esforço desde 2014.

O experimento terá o mais intenso feixe de neutrinos do mundo, sendo produzido no Fermi National Laboratory (Fermilab), nos arredores de Chicago, EUA, onde estará o primeiro conjunto de detectores, os detectores próximos. Depois de percorrer cerca de 1300 km por baixo da Terra, os neutrinos devem encontrar o segundo conjunto de detectores, chamado de detector distante, situado em uma antiga mina a cerca de 1,5 km abaixo do solo na Dakota do Sul (figura 1).

Os neutrinos são partículas fundamentais com carga elétrica nula e que podem ser detectados em três tipos, chamados neutrinos do elétron, do múon e do tau. Experimentos recentes mostraram que os neutrinos têm uma pequena massa, indicando que esta deve ser pelo menos 250 mil vezes mais leve que a do elétron! Apesar de extremamente numerosos (a cada segundo, cerca de 100 bilhões deles produzidos no Sol passam pela unha do seu dedão), eles interagem com a matéria a uma taxa bastante baixa, o que os permite percorrer grandes distâncias sem serem afetados. De cada cem mil neutrinos produzidos pelo Sol que atingem a Terra, apenas um é detido por ela.

Figura 1. Desenho esquemático do experimento DUNE com a localização dos detectores próximo e distante. Fonte: Adaptado de https://www.dunescience.org/

Essa “antissociabilidade” dos neutrinos permite que essas partículas sejam fonte de informações importantes sobre fenômenos astrofísicos cujos detalhes são ainda pouco conhecidos, tais como as explosões de supernovas e de raios gama. Eles também são produzidos no interior da Terra, no choque de raios cósmicos com a atmosfera terrestre, em reatores nucleares, até mesmo uma banana e todos nós emitimos neutrinos a partir do decaimento de núcleos instáveis como o potássio-40. Por outro lado, sua detecção se torna difícil, o que acaba levando à construção de enormes experimentos para aumentar a chance de observá-los.

Os neutrinos foram introduzidos no mundo das partículas elementares a partir de uma predição feita por Wolfgang Pauli na década de 1930 para acomodar observações envolvendo o decaimento radiativo de núcleos, que pareciam violar o princípio de conservação de energia sem o envolvimento desta partícula. No entanto, a sua detecção só foi possível cerca de três décadas mais tarde e apenas começamos a compreender suas propriedades básicas e o papel dos neutrinos em nosso mundo.

A detecção de neutrinos provenientes do Sol permitiu verificar que o processo responsável pela geração de energia no seu interior é o de fusão nuclear de hidrogênio em hélio. No entanto, uma grande discrepância foi observada entre dados experimentais e teóricos sobre os neutrinos produzidos pelo Sol. Os neutrinos eletrônicos detectados na Terra vindos de lá indicavam que o astro produzia apenas de 60% a 70% do que as teorias sobre a produção de energia solar previam. Em 2001, o Observatório de Neutrinos de Sudbury (SNO), no Canadá, confirmou que os três tipos de neutrinos são capazes de se transformar uns nos outros, fenômeno batizado de “oscilação dos neutrinos”. Assim, o Sol produz apenas neutrinos do elétron, mas estes transformamse nos outros dois no intervalo entre serem criados e detectados. Por isso, aqui se detectam menos neutrinos eletrônicos do que a teoria prevê.

As pesquisas prosseguem para determinar a massa dos neutrinos e medir outros parâmetros necessários para completar a descrição teórica do fenômeno de oscilação e é aqui que o DUNE se insere. O experimento DUNE será capaz de medir independentemente todos os parâmetros necessários para descrever as oscilações devido ao seu grande volume, faixa de energia e intensidade do feixe de neutrinos. Além disso, testará se neutrinos e suas antipartículas se comportam de maneira semelhante ou não, o que pode ser a chave para a explicação da chamada assimetria matéria-antimatéria que ocorreu quando o Universo era muito jovem e que resulta em estarmos aqui, basicamente.

Diferentes técnicas experimentais são utilizadas para a detecção destas partículas. O DUNE investirá na construção de grandes câmaras preenchidas com argônio líquido. Este material é interessante pela grande precisão nas medidas de energia, permitindo confiabilidade na identificação das partículas interagentes, além de ser abundante e barato.

O Brasil contribui fortemente com o detector de luz do DUNE,um dos subsistemas do experimento. Ele será constituído pelas chamadas ARAPUCAS, propostas pelos pesquisadores Ana Machado e Ettore Segreto, da Unicamp e, como o próprio nome sugere, tem como objetivo capturar a luz dentro de uma caixa bastante reflexiva até que esta consiga ser detectada pelos sensores. A tecnologia da ARAPUCA vem apresentando resultados excelentes e os próximos testes em condições similares ao DUNE serão feitos no Centro Europeu para Pesquisa Nuclear (CERN), na Suíça, nos experimentos ProtoDUNE, também com forte presença brasileira na sua montagem e operação. Estes são protótipos de 760 toneladas de argônio líquido que serão utilizados para explorar as tecnologias a serem empregadas nos quatro módulos de 17000 toneladas cada que serão construídos na Dakota do Sul.

A professora da UFABC Laura Paulucci, que faz parte da colaboração DUNE, passou os primeiros 3 meses de 2021 no CERN atuando na montagem e instalação do sistema de detecção de fótons do ProtoDUNE-Vertical Drift. A montagem dos módulos seguia uma série de passos necessários para dispor todos os componentes internos, incluindo os sensores de luz e eletrônica de aquisição, em ARAPUCAS de 60 x 60 cm2. Todos os módulos eram testados em argônio líquido, a uma temperatura de -189oC para verificação da eletrônica de leitura dos sinais e estabilidade dos componentes. Após os testes, os filtros que formam a janela de detecção dos módulos (figura 2) eram colocados e os módulos seguiam para instalação nas paredes do detector ou em seu catodo (figura 3). No total, foram 16 módulos de detecção de luz montados para o experimento. Apesar desse trabalho de “mão na massa”, o foco da atuação da professora no DUNE é na simulação computacional dos eventos no detector distante e o uso do sistema de detecção de fótons em análises de física. Atualmente ela coordena, junto com Dominic Brailsford da Universidade de Lancaster, o grupo de simulação e reconstrução do detector distante do DUNE.

Além das propriedades básicas dessas partículas, o DUNE também será capaz de detectar neutrinos da próxima explosão de supernovas, se tivermos sorte de ela acontecer na Via Láctea ou vizinhanças durante o tempo de tomada de dados do experimento, além de neutrinos atmosféricos, solares e potenciais novos fenômenos físicos, como o decaimento do próton, caso ocorra. A próxima década promete ser uma década de ouro para a física e astrofísica de neutrinos e o Brasil está em condições de fazer contribuições significativas na área. Fiquem atentos para as próximas notícias desse mega-experimento!

Figura 2. Painel com filtros (na vertical) prestes a ser colocado em uma ARAPUCA (na horizontal). Créditos da imagem: Laura Paulucci

Figura 3. À esquerda, equipe de pesquisadores após a instalação dos dois primeiros módulos detectores de luz no ProtoDUNEVertical Drift (vistos no topo, juntos à parede) e à direita, os dois catodos do experimento, no centro da imagem, com seus oito módulos detectores de luz instalados. - Créditos das imagens: Robert J. Wilson (esquerda) e Manuel Arroyave (direita).

Autora

Laura Paulucci

Professora da UFABC vinculada ao Centro de Ciências Naturais e Humanas (CCNH)

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