Os neutrinos são uma das partículas mais evasivas do cosmos, perdendo apenas para a matéria escura ultra-misteriosa. Eles são feitos em quantidade considerável ? eles participam da força nuclear fraca e são responsáveis pela fusão e decaimento nuclear. Então, sempre que algo nuclear está acontecendo, os neutrinos estão envolvidos.
Por exemplo, o núcleo do sol é uma reação de fusão nuclear gigante, então, naturalmente, está produzindo alguns neutrinos. Se você apontar o polegar para o sol, aproximadamente 60 bilhões de neutrinos passarão pela sua unha a cada segundo, de acordo com estudos anteriores.
Mas os neutrinos interagem tão raramente com a matéria que, apesar dos trilhões e trilhões deles passando pelo seu corpo a cada segundo, em toda a sua vida, o número total de neutrinos que realmente atingirão seu corpo é de cerca de um.
Os neutrinos são tão fantasmagóricos e efervescentes que, durante décadas, os físicos assumiram que essas partículas eram completamente sem massa, viajando pelo universo na velocidade da luz. Mas depois que montanhas de evidências começaram a se acumular, os cientistas descobriram que os neutrinos têm uma pequena quantidade de massa.
Exatamente quanta massa é uma questão de pesquisa científica ativa. Existem três tipos de neutrinos: o neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau. Cada um desses “sabores” participa de diferentes tipos de reações nucleares e, frustrantemente, todos os três tipos de neutrinos têm a estranha capacidade de mudar de uma identidade para outra enquanto viajam. Então, mesmo que você consiga ver um neutrino e determinar seu tipo, você sabe apenas uma fração do que gostaria de saber.
Sussurros na água
A massa de neutrinos não tem explicação no Modelo Padrão da física de partículas, nossa atual e melhor teoria das interações fundamentais. Então, os físicos adorariam fazer duas coisas: medir as massas dos três sabores de neutrinos e entender de onde essas massas vêm. Isso significa que eles têm que fazer muitos experimentos.
A maioria dos detectores de neutrinos é bastante simples: você configura um dispositivo para gerar um número ridículo de insetos em um laboratório ou constrói uma matriz gigantesca para capturar alguns que se originam da Terra.
Esses experimentos fizeram muito progresso e ficaram maiores a cada geração. O experimento Kamiokande no Japão, por exemplo, detectou os neutrinos vindos da supernova 1987A. Mas eles precisavam de um tonel de mais de 50.000 toneladas de água para fazê-lo.
Nos últimos anos, o Observatório IceCube Neutrino na Antártida aumentou a aposta. Esse observatório consiste em um quilômetro cúbico sólido (0,24 milha cúbica) de gelo no Pólo Sul, com dezenas de fios de receptores do tamanho de uma Torre Eiffel afundados a um quilômetro (0,6 milha) na superfície. Após uma década de trabalho, o IceCube descobriu alguns dos neutrinos mais energéticos de todos os tempos e deu alguns passos para encontrar suas origens. (Dica: envolve processos realmente de alta energia no universo, como blazares.)
Por que tanto Kamiokande quanto IceCube usam tanta água? Um grande pedaço de praticamente qualquer coisa pode servir como detector de neutrinos, mas a água pura é o ideal. Quando um dos trilhões de neutrinos que passam atinge uma molécula de água aleatória, ela emite um breve flash de luz. Os observatórios contêm centenas de fotorreceptores, e a pureza da água permite que esses detectores identifiquem a direção, o ângulo e a intensidade do flash com muita precisão. (Se a água tivesse impurezas, seria difícil reconstruir de onde veio o flash dentro do volume.)
A partir daí, eles podem reconstruir a direção original do neutrino que chega e controlar sua energia.
A grande mancha de neutrinos do Pacífico
Isso é muito bom para os neutrinos normais do dia-a-dia. Mas os neutrinos mais energéticos são extraordinariamente raros. Esses neutrinos extremamente raros também são os mais emocionantes e interessantes, no entanto, porque podem ser causados apenas pelos eventos mais gigantescos do universo.
Infelizmente, todo o poder do IceCube, após uma década de observação, conseguiu capturar um mero punhado desses neutrinos ultrapoderosos.
Então vamos precisar de um barco maior… quero dizer, detector.
Essa é a ideia por trás do Pacific Ocean Neutrino Experiment (P-ONE), uma nova proposta descrita em um artigo publicado no servidor de pré-impressão arXiv em novembro: transformar uma enorme faixa do Oceano Pacífico no próprio detector de neutrinos da natureza.
Mais uma vez, o conceito é surpreendentemente simples: encontre uma parte adequada e solitária do Pacífico. Bem fácil. Construa longos fios de fotodetectores – e quero dizer longos, pelo menos um quilômetro de comprimento. Afunde esses fios no fundo do oceano, de preferência a uma profundidade de mais de uma milha (2 km). Prenda flutuadores a eles para que fiquem em pé na água, como uma alga gigante mecânica.
O projeto P-ONE atualmente envolve sete clusters de 10 cordas, com cada corda hospedando 20 elementos ópticos. Isso é um total geral de 1.400 fotodetectores flutuando em uma área do Pacífico com vários quilômetros de extensão, fornecendo muito mais cobertura do que o IceCube.
Uma vez instalado e funcionando, você só precisa esperar. Até que os neutrinos atinjam a água do oceano e emitam um pequeno flash, e os detectores o rastreiem
Claro, é mais difícil do que parece. Os fios estarão se movendo constantemente, acenando para frente e para trás com o próprio oceano. E o Oceano Pacífico é… menos que puro, com sal, plâncton e todo tipo de excremento de peixe flutuando por aí. Isso mudará o comportamento da luz entre os fios, dificultando a medição precisa.
Isso significa que o experimento exigirá calibração constante para ajustar todas essas variáveis e rastrear neutrinos de maneira confiável. A equipe por trás do P-ONE está no caso, no entanto, e já tem planos de construir uma demonstração menor de duas vertentes como prova de conceito.
E então, podemos ir caçar neutrinos.
Publicado em 21/01/2022 13h28
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