Com entrada online prevista para este ano, a instalação JUNO ajudará a determinar qual tipo de neutrino tem a maior massa – um dos maiores mistérios da física.
Kaiping, China
Setecentos metros abaixo da paisagem verdejante de Kaiping, no sudeste da China, trabalhadores da construção civil estão a terminar furiosamente um detector em forma de orbe de 35 metros de diâmetro que visa observar partículas subatómicas fantasmagóricas conhecidas como neutrinos com detalhes requintados. Se tudo correr conforme o planejado, o Observatório Subterrâneo de Neutrinos de Jiangmen (JUNO), avaliado em US$ 376 milhões, estará pronto para começar sendo detectado até o final deste ano, diz o gerente local do JUNO, Yuekun Heng, físico do Instituto de Alta Ciência da Academia Chinesa de Ciências. Física Energética em Pequim.
Isso o tornará o primeiro de vários novos e ambiciosos detectores de neutrinos atualmente sendo construídos em todo o mundo a ficar online. Dois outros – no Japão e nos Estados Unidos – deverão começar a recolher dados em 2027 e 2031.
O principal objetivo do JUNO será ajudar os pesquisadores a determinar qual tipo de neutrino tem maior massa e qual tem menor massa, um dos maiores mistérios da física. Resolver este problema poderia ajudar os físicos a compreender o que são os neutrinos e porque é que a sua massa é tão pequena. Os investigadores do JUNO pretendem fazer isso medindo os neutrinos que chegam de duas centrais nucleares localizadas a mais de 50 quilômetros de distância do observatório. Outro objetivo é estudar neutrinos vindos de outras fontes, incluindo o Sol, a atmosfera, a explosão de estrelas e os processos naturais de decaimento radioativo na Terra.
No dia 7 de março, os investigadores do observatório começaram a encher uma versão em miniatura do detetor com um cintilador líquido – um cocktail de solventes e produtos químicos orgânicos que emite luz quando os neutrinos o atravessam. Este modelo testará se o cintilador é puro o suficiente para ajudar os pesquisadores a resolver o problema da ordem de massa.
A abordagem do JUNO o diferencia dos outros detectores que estão sendo construídos. O planejado detector Hyper-Kamiokande do Japão usará água purificada como meio de detecção de neutrinos, enquanto o Deep Underground Neutrino Experiment nos Estados Unidos dependerá de argônio líquido para medir as partículas elusivas, diz Mary Bishai, física do Laboratório Nacional de Brookhaven em Nova York e co-porta-voz do observatório dos EUA. Ambos os futuros detectores medirão os neutrinos emitidos por aceleradores de partículas próximos, em vez de reatores nucleares.
Tal como os telescópios que observam o cosmos em diferentes comprimentos de onda, ter vários detectores de neutrinos que utilizam técnicas distintas para observar neutrinos de várias fontes, como o Sol e centrais nucleares, permitirá aos investigadores desenvolver uma melhor compreensão das características dos neutrinos e do papel destes. partículas no Universo, diz Bishai. “Isso nos dá uma maneira única de verificar se nossa imagem é consistente”, diz ela.
O cintilador líquido deve conter apenas traços minúsculos de urânio e tório, elementos radioativos que podem imitar eventos de neutrinos quando seu decaimento coincide acidentalmente com outros sinais e podem destruir resultados de experimentos. Se os níveis destes elementos forem demasiado elevados, será quase impossível medir neutrinos com a sensibilidade necessária para resolver o problema da ordenação de massa, afirma Alberto Garfagnini, membro da equipe JUNO, físico da Universidade de Pádua, Itália. A equipe está, portanto, a encher a versão em miniatura do JUNO – chamada OSIRIS – para testar a radiopureza do fluido antes de ser bombeado diretamente para o detetor principal vizinho. É importante dar este passo certo, porque não há como voltar atrás quando o JUNO estiver cheio com 20.000 toneladas de líquido. “Tem que ser puro desde o início”, diz Garfagnini.
Partículas fantasmagóricas
Observar um neutrino parece ser fácil, visto que eles são as partículas com massa mais abundantes no Universo, com bilhões delas passando por cada centímetro cúbico da Terra a cada segundo. Mas as suas propriedades permanecem um mistério, porque a maioria deles mal interage com a matéria enquanto desliza pelo cosmos, tornando difícil detectá-los diretamente. No entanto, os neutrinos podem conter pistas sobre como o Universo evoluiu, diz Garfagnini. “Eles são um ingrediente importante na cosmologia”, diz ele.
Os físicos sabem que existem três sabores de neutrinos: elétron, múon e tau (cada um com o nome das partículas fundamentais com as quais são produzidos). Há mais de duas décadas, a experiência Super-Kamiokande em Hida, no Japão, e o Observatório de Neutrinos de Sudbury, no Canadá, descobriram que os neutrinos se transformam de um sabor no outro à medida que viajam1,2, o que os físicos só poderiam explicar se as partículas tivessem massa. E em 2012, a Experiência de Neutrinos do Reator de Daya Bay, nos arredores de Shenzhen, na China, mediu com precisão um dos parâmetros que descreve a taxa à qual os neutrinos alternam entre sabores3.
Os neutrinos também têm três estados de massa – ν1, ν2 e ν3 – e cada sabor é uma mistura de todos eles. Os físicos deduziram que ν2 é ligeiramente mais massivo que ν1 e que há uma grande diferença entre ν3 e os outros. Mas ainda não descobriram se ν3 é mais pesado ou mais leve do que os seus homólogos mais bem compreendidos. A resposta a este problema de ordenação em massa permanece indefinida, porque exige detectores maiores e mais sensíveis, que estejam suficientemente próximos de uma fonte de neutrinos bem compreendida, diz Bishai. “Você tem que estar no ponto ideal para o efeito que procura.”
Um orbe gigante
O JUNO está localizado sob uma colina de granito, que atuará como um escudo contra os raios cósmicos – partículas sobrecarregadas do espaço que podem abafar os fracos sinais de neutrinos. Todos os dias, investigadores e trabalhadores da construção civil com vestes fluorescentes fazem uma viagem de 15 minutos de teleférico por um túnel íngreme de 1,3 quilômetros para continuar construindo o detector dentro de uma sala imaculada e com temperatura controlada. A esfera de acrílico, que está cerca de dois terços completa, será em breve submersa em 35.000 toneladas de água de alta pureza, o que protegerá ainda mais o detector da radiação de fundo. Assim que o cintilador líquido passar no teste de radiopureza, ele será canalizado para o detector principal. Todo o processo levará seis meses, diz Heng.
Proteger a sensibilidade do JUNO não foi tarefa fácil. Quando a construção começou em 2015, a equipe esperava terminar as obras em três anos. Mas a remoção dos enormes volumes de água subterrânea resultou em atrasos. “A água era um grande problema”, diz Heng. Para resolver isso, a equipe instalou um sistema que bombeia 500 metros cúbicos de água dos serpenteantes túneis subterrâneos a cada hora. Para controlar os níveis de radônio – um gás radioativo produzido naturalmente pelo granito e outras rochas que não funciona bem com experimentos sensíveis com neutrinos – a instalação cavernosa está repleta de ventiladores em forma de cilindro.
A razão da sua difícil localização está na superfície. O JUNO fica entre duas centrais nucleares, cada uma localizada a 53 quilômetros de distância, que fornecerão ao detector um fluxo constante de antineutrinos de elétrons, que têm a mesma massa dos neutrinos. O grande número deles produzidos por estas centrais elétrica s dará aos investigadores a oportunidade de medi-los com a precisão necessária para determinar a sua ordem de massa, diz Heng.
Os neutrinos não podem ser detectados diretamente, por isso, para descobrir a sua massa, os físicos medem a energia de outras partículas produzidas nas raras ocasiões em que um neutrino interage com a matéria. No caso do JUNO, quando um antineutrino de elétrons colide com um próton no cintilador líquido, a interação produzirá um pósitron e um nêutron, um processo chamado decaimento beta inverso. A energia do pósitron resulta em um flash de luz, enquanto o nêutron produz outro flash quando é capturado por um próton. Esses flashes reveladores – separados por 200 microssegundos – serão medidos por mais de 40.000 tubos fotomultiplicadores em forma de bolha que cobrirão a esfera. A diferença de tempo entre esses flashes ajudará os pesquisadores a separar os neutrinos dos sinais de fundo confusos, diz Garfagnini. “É uma assinatura clara”, diz ele. Os pesquisadores esperam detectar 100 mil neutrinos nos próximos seis anos.
Seu tamanho, ambiente protegido e proximidade de fontes de energia nuclear farão dele um dos detectores de neutrinos mais sensíveis do mundo, diz Geoffrey Taylor, físico da Universidade de Melbourne, na Austrália. Isso lhe dá uma boa chance de resolver a ordem de massa dos neutrinos antes que outros experimentos decolem, acrescenta. “Está no caminho certo para ser um vencedor.”
Publicado em 22/03/2024 21h19
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