O Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) é uma colaboração internacional de pesquisa que visa explorar tópicos relacionados a neutrinos e decaimento de prótons, que deve começar a coletar dados por volta de 2025. Em um estudo recente apresentado no Physical Review Letters, uma equipe de pesquisadores da Ohio State University mostraram que o DUNE tem o potencial de fornecer resultados inovadores e insights sobre os neutrinos solares.
A astronomia de neutrinos é um campo que estuda os diferentes tipos de neutrinos. Pesquisas nesse campo, como o recente estudo realizado pela equipe da Ohio State University, aumentaram drasticamente nas últimas décadas.
“Até onde sabemos, os neutrinos são partículas elementares, o que significa que não são compostas por ‘pedaços menores'”, disse Francesco Capozzi, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao Phys.org. “Essas partículas não possuem carga elétrica e, portanto, não podem interagir eletromagneticamente através da força que mantém elétrons e prótons juntos em um átomo”.
Os neutrinos são partículas fascinantes, pois suas principais propriedades são muito diferentes das de outras partículas elementares. Por exemplo, suas massas são incrivelmente pequenas, aproximadamente um milionésimo das próximas partículas mais leves (ou seja, elétrons).
Outra característica única dos neutrinos é que eles só podem interagir com outras matérias por meio da chamada “interação fraca”. Como sugerido por seu nome, essa “interação fraca” é muito mais fraca que a eletromagnética; tão fraco que os neutrinos podem viajar pela Terra ou pelo sol sem nunca interagir com outras partículas. Além disso, como são neutros no comando, os neutrinos não são afetados pelos campos magnéticos da Terra ou do sol.
“As propriedades dos neutrinos os tornam sondas únicas do universo”, disse Capozzi. “Eles podem levar informações de regiões que seriam inacessíveis de outra forma.”
Existem várias fontes de neutrinos e, dependendo de onde são produzidas, elas podem diferir em fluxos, energias por partícula e outras propriedades. Os neutrinos solares, por exemplo, são produzidos no núcleo do sol, mas podem escapar para outras partes do sistema solar. Aproximadamente 60 bilhões de neutrinos de elétrons por centímetro quadrado alcançam a Terra a partir do sol a cada segundo. A análise dessas partículas pode permitir que os pesquisadores descubram informações em tempo real sobre o que está acontecendo no centro do sol.
Outro tipo de neutrino compreende aqueles produzidos durante as explosões superenergéticas de estrelas massivas, supernova neutrinos. Esses neutrinos atingem a Terra horas antes da luz produzida na explosão e vêm diretamente da parte mais interna de uma estrela explosiva, onde a densidade é tão alta que até os neutrinos podem ficar presos por um tempo. Estes são apenas alguns exemplos de fontes de neutrinos, mas existem inúmeros outros, alguns dos quais ainda não foram detectados.
“Existem até neutrinos que se propagam livremente pelo universo desde cerca de um segundo após o Big Bang, que carrega as impressões do universo primordial”, disse Capozzi. “No entanto, ainda não conseguimos detectar isso”.
Com base no que os astrofísicos observaram até agora, os neutrinos têm três “sabores” principais: neutrinos de elétrons, neutrinos de múons e neutrinos de tau. Cada um desses diferentes ‘sabores’ é identificado com base na partícula carregada produzida durante uma interação fraca (isto é, elétrons, múons ou taus).
Até agora, detectar e estudar neutrinos provou ser incrivelmente desafiador, principalmente devido ao fato de eles raramente interagirem com outros assuntos. Uma maneira de superar essa limitação é construir grandes detectores que compensem a baixa probabilidade de interações de neutrinos, aumentando o número de possíveis partículas com as quais eles podem interagir.
O detector Super-Kamiokande (Super-K) no Japão, que consiste essencialmente em um tanque cheio com 50.000 toneladas da água mais pura disponível na Terra, é atualmente o maior detector disponível para os neutrinos MeV (baixa energia). Neutrinos de baixa energia são aqueles da faixa de energia MeV, que são produzidos principalmente em processos nucleares, por exemplo, por meio de reações de fusão ao sol ou no centro de estrelas que explodem.
“Outro problema é que não podemos ver os próprios neutrinos usando detectores; só podemos ver a partícula carregada produzida em suas interações”, explicou Capozzi. Em Super-Kamiokande, por exemplo, vemos a luz que essas partículas carregadas emitem na água quando viajamos quase à velocidade da luz. “
O sol é uma das fontes naturais mais importantes de neutrinos, pois são produzidos pelas mesmas reações nucleares que permitem que o sol brilhe. Quando os cientistas começaram a detectar neutrinos solares na década de 1960, eles descobriram que havia menos neutrinos de elétrons do que esperavam.
“Uma possível explicação para essa anomalia foi que os neutrinos estavam mudando de sabor durante a propagação”, explicou Capozzi. “Esse fenômeno, agora conhecido como oscilação de neutrinos, só é fisicamente possível se os neutrinos tiverem massa. Demorou cerca de 30 anos para confirmar que a anomalia do neutrino solar se devia, de fato, a oscilações de neutrinos”.
Essencialmente, embora os neutrinos tenham sabores diferentes, os cientistas descobriram que eles também podem oscilar e ‘mudar de sabor’. Os dois físicos que descobriram isso, Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald, receberam o Prêmio Nobel de Física em 2015.
“Talvez a coisa mais estranha sobre os neutrinos seja a sua oscilação”, disse Shirley Li, outro pesquisador envolvido no estudo, ao Phys.org. “Os neutrinos nascidos com um sabor podem se transformar em neutrinos com um sabor diferente depois que se propagam a certa distância. Imagine como você ficaria surpreso se comprasse uma xícara de sorvete de chocolate e visse que ele se transformou em sorvete de morango depois de aberto em Os físicos ficaram igualmente surpresos quando a oscilação dos neutrinos foi descoberta. “
Desde a descoberta das oscilações de neutrinos, os pesquisadores vêm usando neutrinos solares para determinar os parâmetros que descrevem suas oscilações. Apesar dos grandes esforços para conseguir isso, muitas perguntas permanecem sem resposta.
Em primeiro lugar, os pesquisadores não conseguiram observar todas as reações nucleares através dos neutrinos correspondentes. Por exemplo, os neutrinos ‘hep’, produzidos a partir da fusão de um núcleo de hélio e um próton, mostraram-se particularmente difíceis de observar. De fato, enquanto os neutrinos hepáticos são os mais energéticos entre os neutrinos solares, eles são muito pequenos em fluxo, em comparação com outros neutrinos.
Além disso, os parâmetros de oscilação determinados em experimentos com neutrinos solares não estão de acordo com as medidas coletadas em outros tipos de experimentos. Isso pode ser devido a alguns fenômenos físicos desconhecidos que afetam apenas os neutrinos solares.
“Ainda não temos perguntas sobre neutrinos solares, ficamos sem avanços nos detectores”, disse John Beacom, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao Phys.org.
Devido às limitações dos detectores existentes, a maioria dos experimentos atuais com neutrinos provavelmente não será capaz de responder a perguntas não respondidas. Isso inspirou uma grande e internacional equipe de pesquisadores a começar a construir o DUNE, um grande detector em uma mina em Dakota do Sul, a 4.850 pés de profundidade.
“No passado, já foi discutido que o DUNE também poderia ser usado como um detector de neutrinos solares”, disse Capozzi. “No entanto, nenhum estudo completo nessa direção foi realizado. Decidimos cobrir essa lacuna, mostrando que o DUNE é realmente capaz de fornecer as respostas para essas perguntas, basicamente sem nenhum investimento extra em dinheiro”.
Em seu estudo recente, Capozzi, Li, Beacom e seu colega Guanying Zhu decidiram provar que a mina DUNE também poderia ser um detector de neutrino solar líder mundial. Para fazer isso, eles primeiro avaliaram a quantidade de fundo da mina, que é essencialmente algo observado em um detector que imita o sinal que se está procurando, mesmo que tenha uma origem totalmente diferente. Esse cenário pode confundir e afetar adversamente a medição e detecção de neutrinos.
“Na faixa de energia relevante para os neutrinos solares, o contexto mais importante vem da radioatividade natural”, explicou Capozzi. “Como o experimento será baseado em uma caverna em uma mina profunda, a radioatividade vem da rocha circundante. Para fazer uma estimativa do fundo, primeiro precisamos entender a composição da rocha esperada para o local do detector”.
A simulação de eventos em segundo plano no DUNE provou ser um pouco desafiadora, pois eles podem vir de uma variedade de fontes e, portanto, identificá-los requer análises detalhadas. Quando eles começaram a trabalhar em seu estudo, os pesquisadores começaram a investigar as fontes básicas para os experimentos com neutrinos realizados no passado e computaram essas taxas no contexto do DUNE.
“Acontece que suas taxas são razoavelmente baixas em comparação com as taxas de sinal”, disse Li. “No entanto, no meio de nosso estudo, descobrimos na literatura a existência desse fundo específico apenas para detectores de argônio. Esses são nêutrons de baixa energia produzidos a partir de radioatividades nas rochas circundantes. Esse é o fundo dominante na medição de neutrinos solares em DUNA.”
Os pesquisadores basearam suas análises na literatura anterior que descreve os aspectos geológicos da mina de Dune, que são de importância crucial para concluir as escavações adequadas. Conhecendo a composição exata da rocha na mina, eles foram capazes de realizar um cálculo para prever seu histórico esperado. Posteriormente, eles usaram ferramentas estatísticas para avaliar a precisão que o DUNE pode alcançar na medição dos parâmetros de oscilação e do fluxo de neutrinos que escapam do sol.
Depois de identificarem as possíveis fontes de conhecimento no experimento DUNE, eles tentaram propor estratégias para eliminar os antecedentes, pois suas taxas são tipicamente muito mais altas que as taxas de sinal de neutrinos. Eles criaram duas soluções distintas: uma que envolve o detector com uma camada de plástico e a outra coleta de dados pelo dobro do tempo para obter uma melhor sensibilidade.
“Para cada etapa do experimento, tivemos que cuidar de mais detalhes”, disse Capozzi. “Por exemplo, tivemos que tratar cuidadosamente as interações de neutrinos com o detector, que será feito de argônio líquido. Na energia relevante para os neutrinos solares, uma interação muito importante é com todo o núcleo do argônio, que depende de efeitos nucleares complicados. “
Antes de começarem a avaliar o potencial do DUNE como um detector para descobrir coisas novas sobre os neutrinos, os pesquisadores revisaram todas as pesquisas anteriores sobre esse tópico, comparando resultados obtidos usando diferentes técnicas de física nuclear teórica e experimental. Por fim, eles selecionaram a técnica que consideravam mais apropriada e a implementaram usando computadores locais em sua universidade.
“Agora temos um arcabouço teórico que permite calcular a probabilidade de neutrinos nascerem com um sabor sintonizado em um sabor diferente”, disse Li. “Isso depende da energia do neutrino e da distância de propagação, além de seis parâmetros de oscilação. Queríamos medir o máximo de tipos de oscilação de neutrinos que pudéssemos, por exemplo, neutrinos com qualquer um dos três sabores que oscilam para outros sabores, em para obter as medidas mais precisas dos seis parâmetros de oscilação e, o mais importante, avaliar se nossa estrutura atual de oscilação de neutrinos estava, de fato, correta “.
O experimento DUNE foi projetado para estudar neutrinos especificamente medindo um fluxo de neutrinos de múons de alta energia que oscila para neutrinos de elétrons atingindo um grande detector na mina subterrânea de Dakota do Sul. Em última análise, isso poderia permitir que os pesquisadores medissem dois parâmetros de oscilação que foram medidos aproximadamente em experimentos anteriores com maior precisão.
O detector usado no experimento DUNE é extremamente grande em comparação com outros detectores existentes. São 40 quilotons de argônio com os quais os neutrinos podem interagir e detecta partículas através de uma tecnologia de câmara de projeção no tempo, permitindo a coleta de imagens em 3D para cada interação dos neutrinos.
“Uma questão natural é: o que mais esse incrível detector pode medir?” Disse Li. “Foi assim que tivemos a idéia de medir os neutrinos solares com o DUNE. A oscilação dos neutrinos solares é particularmente interessante. Até agora, os padrões de oscilação dos neutrinos solares e dos neutrinos dos reatores discordam levemente. Isso pode ocorrer por duas razões: ou há uma flutuação estatística improvável no os dados atuais ou nosso entendimento teórico atual da oscilação de neutrinos não estão completos. A segunda possibilidade é extremamente emocionante “.
Outro experimento chamado JUNO, planejado para 2020, medirá neutrinos que saem de reatores nucleares. Os neutrinos solares e os neutrinos do reator são, em princípio, sensíveis aos mesmos parâmetros de oscilação. Portanto, se o arcabouço teórico proposto pelos pesquisadores estiver correto, os parâmetros identificados no experimento JUNO (ou seja, para neutrinos do reator) devem ser alinhados com aqueles reunidos no experimento DUNE (ou seja, para neutrinos solares).
Estudos anteriores descobriram discrepâncias entre os parâmetros de oscilação do reator e dos neutrinos solares, mas as medições mais precisas que devem ser coletadas nos experimentos JUNO e DUNE poderiam lançar alguma luz sobre essa discrepância. Por sua vez, isso poderia levar à descoberta de novos fenômenos físicos.
Até agora, houve algum ceticismo no mundo da física sobre a mina subterrânea DUNE ser um detector de neutrino solar eficaz, principalmente devido à grande quantidade de antecedentes esperada, o que poderia afetar adversamente os resultados. Em seu estudo, no entanto, Capozzi, Li, Zhu e Beacom demonstraram que o DUNE poderia levar a medições líderes mundiais de neutrinos solares, além de permitir potencialmente as primeiras medições precisas de neutrinos solares ‘hep’.
“Apesar do ceticismo, fomos capazes de mostrar que esse cenário pode ser drasticamente reduzido, aplicando alguns critérios de seleção ao que veremos no detector”, disse Capozzi. “O fundo restante dominará apenas o sinal em baixas energias. A parte de alta energia será ‘intocada’ e estimamos que será composto de 100.000 neutrinos solares observados em cinco anos”.
Além de demonstrar o enorme potencial de DUNE, Capozzi Li, Zhu e Beacom introduziram uma série de aprimoramentos teóricos e experimentais viáveis ??que poderiam melhorar o desempenho do detector DUNE. Essas melhorias também podem beneficiar o projeto em geral, facilitando a investigação de outros fenômenos físicos.
Para resolver questões não respondidas, a próxima geração de detectores de neutrinos precisará ser enorme em tamanho e ter recursos avançados de detecção. Mesmo usando esses detectores, algumas das propriedades e características dos neutrinos provavelmente permanecerão um mistério, pois ainda existem inúmeros desafios técnicos a serem superados.
“Sem essa medida no DUNE, talvez nunca saibamos por que os neutrinos solares parecem se misturar de maneira diferente dos antineutrinos do reator”, disse Beacom. “Não estamos dizendo que investigar isso será fácil, mas estamos dizendo que é importante”.
Os pesquisadores da Ohio State University agora planejam compartilhar os resultados de seus cálculos e simulações, bem como suas sugestões de melhoria com a comunidade astrofísica em geral. Eles esperam que isso acione a conversa e, finalmente, incentive mudanças que possam melhorar ainda mais o desempenho do detector DUNE antes que o experimento seja realizado.
“Estamos empolgados ao ver que a colaboração do DUNE está analisando os detalhes de nossa análise e, esperançosamente, veremos essa análise realizada quando o DUNE estiver online”, disse Li. “No geral, é um momento realmente empolgante para estudar neutrinos, pois há muitas medições e testes interessantes que podemos fazer nessas experiências. Ainda estou tentando criar medições que não foram consideradas antes e estudar o que elas podem conte-nos sobre neutrinos e física além do modelo padrão “.
Um dos principais objetivos da pesquisa futura da equipe será tirar o máximo proveito das observações reunidas na mina DUNE ou usar outros detectores grandes. Para fazer isso, a equipe planeja continuar investigando novas técnicas que possam tornar os detectores mais sensíveis aos neutrinos produzidos a partir de fontes astrofísicas.
Publicado em 27/10/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-10-dune-discoveries-solar-neutrinos.html
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: