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09/06/2017 - O Dune – Deep Underground Neutrino Experiment – é o mais ambicioso empreendimento já concebido para o estudo dos neutrinos. E pode-se dizer que sua importância para a pesquisa dos neutrinos será tão grande quanto a do LHC (Large Hadron Collider) para a pesquisa dos hádrons e seus componentes. A comparação é mais do que uma comodidade retórica. Pois, embora enfoque uma outra classe de partículas, o Dune consiste igualmente em uma iniciativa bilionária, destinada a investigar em profundidade a estrutura da matéria e a responder algumas das mais inquietantes perguntas relativas à formação do Universo.

Colaboração internacional, com sede no Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory), nos Estados Unidos, e custo estimado no patamar de US$ 1 bilhão, o Dune já congrega 970 colaboradores, de 164 instituições de pesquisa, de 31 países. A construção dos equipamentos está sendo iniciada neste ano. E o início das operações foi agendado para 2026.

O workshop realizado na FAPESP foi promovido por iniciativa dos professores Ettore Segreto, do Instituto de Física Gleb Wataghin, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), e Ana Amélia Bergamini Machado, do Centro de Ciências Naturais e Físicas, da Universidade Federal do ABC. E, entre pesquisadores do país e do exterior, contou com a participação do professor Mark Thomson, do Departamento de Física da Cambridge University, um dos porta-vozes da colaboração Dune. “O Dune é o próximo grande projeto global em física de partículas. E deverá fazer pelos neutrinos algo equivalente ao que o LHC fez pelo bóson de Higgs”, disse Thomson à Agência FAPESP.

A FAPESP apoia a participação brasileira no Dune por meio do Projeto Temático “Desafios para o Século XXI em Física e Astrofísica de Neutrinos”, coordenado por Orlando Luis Goulart Peres, e do Apoio a Jovens Pesquisadores “Programa de argônio líquido na Unicamp", coordenado por Ettore Segreto.

Tal participação não se resume a compor equipes internacionais. Mas assume um efetivo protagonismo por meio do dispositivo Arapuca, forte candidato a detector de fótons do Dune. Criado por Ettore Segreto e Ana Amélia Bergamini Machado, o Arapuca, como o nome sugere, é uma espécie de armadilha para capturar a luz. De concepção engenhosa e baixo custo, será utilizado no sistema de fotodetecção dos dois principais experimentos precursores do Dune: o ProtoDune, que deverá entrar em operação no CERN (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear) em outubro de 2018; e o Short-Baseline Neutrino Program (SBN), já parcialmente em operação no Fermilab e com previsão de estar plenamente instalado e operacional em 2019. Para que venha a responder também pelo sistema de fotodetecção do Dune, o Arapuca deverá vencer a competição com dois outros dispositivos candidatos. E há uma grande chance de que isso ocorra.

Entre os muitos sistemas demandados por um experimento do porte do Dune, a fotodetecção desempenha papel crucial, pois será por meio da cintilação produzida nos tanques de argônio líquido que compõem o grande detector que os pesquisadores obterão as respostas para suas perguntas.

Violação de simetria

Postulado pelo físico austríaco Wofgang Pauli (1900 – 1958) em 1930, para fechar o balanço energético do decaimento beta do nêutron (fora do núcleo atômico, o nêutron decai em pouco tempo, dando origem a um próton, um elétron e um antineutrino), e encarado de início com certo ceticismo pela comunidade científica, o neutrino constitui, atualmente, um dos principais objetos de estudo da Física. Há pelo menos quatro motivos muito consistentes para isso.

Primeiro: é a partícula material mais abundante do Universo e, no rol dos objetos estudados pela ciência, ocupa o segundo lugar em abundância, depois do fóton (a partícula responsável pela interação eletromagnética, ou, simplificadamente, a partícula de luz).

Segundo: pelo fato de não ser suscetível à interação eletromagnética nem à interação nuclear forte, o neutrino é capaz de atravessar enormes extensões de matéria comum, mesmo os corpos mais compactos, sem que seu movimento seja barrado ou desviado.

Terceiro: no chamado Modelo-Padrão da Física de Partículas, o neutrino faz parte da família dos léptons. E, para cada lépton eletricamente carregado (o elétron, o múon e o tau), existe um tipo de neutrino correspondente. Assim, há três tipos ou “sabores” (“flavors”) conhecidos de neutrinos: o neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau. A transformação de um tipo ou “sabor” em outro, chamada de “oscilação dos neutrinos”, prevista pelo físico italiano Bruno Pontecorvo (1913 – 1993), foi confirmada pelos experimentos realizados nos observatórios SNO (Canadá) e Super-Kamiokande (Japão). Essa “oscilação” ocorre espontaneamente durante a propagação da partícula pelo espaço, e pode fornecer a chave para a compreensão de um fenômeno denominado “violação da simetria de carga-paridade dos léptons” (charge-parity violation ou CPV). Segundo o modelo hegemônico sobre a formação do Universo, foi essa “violação de simetria” que produziu, logo depois do Big Bang, um pequeno excedente de matéria em relação à antimatéria. E é esse excedente que compõe, atualmente, o universo conhecido.

Quarto: confirmando outra antecipação de Pontecorvo, os experimentos SNO e Super-Kamiokande demonstraram que o neutrino tem massa. Na verdade, a oscilação só é possível devido à existência da massa, pois apenas partículas massivas podem oscilar. Embora a massa de cada neutrino seja muito pequena, existem tantos neutrinos no Universo que a massa total se torna muito relevante. Por isso, os neutrinos são considerados, atualmente, candidatos a compor, junto com outras partículas exóticas, a chamada “matéria escura”. Segundo as estimativas mais atualizadas, a matéria conhecida integra apenas cerca de 4% do conteúdo do Universo, enquanto a “matéria escura” responde por mais de 20% e a “energia escura” por mais de 70%.

Nosso planeta é atravessado regularmente por trilhões de neutrinos: neutrinos que foram produzidos nos primeiros tempos do Universo; neutrinos provenientes de fontes extragalácticas; neutrinos gerados no interior das estrelas da Via Láctea; neutrinos originados no Sol; neutrinos resultantes do choque de raios cósmicos com a atmosfera terrestre. Além destes, existem também os neutrinos produzidos na própria superfície da Terra pelo decaimento beta [o decaimento beta é o processo por meio do qual um núcleo atômico instável se transforma em outro ao emitir uma partícula beta (elétron ou pósitron) e um antineutrino ou neutrino]. Este pode ser suscitado artificialmente por aceleradores de partículas (leia a descrição do processo adiante) ou decorrer de reações nucleares em usinas geradoras de energia elétrica, como a de Angra dos Reis, por exemplo. No entanto, apesar de estar por toda parte, o neutrino, como lembrou o professor Thomson em entrevista à Agência FAPESP, é, provavelmente, “a partícula mais misteriosa do Universo”.

O Dune (Deep Underground Neutrino Experiment) foi concebido para elucidar, ao menos em parte, esse mistério. E, a partir do comportamento do neutrino, entender processos ainda igualmente obscuros como a “violação da simetria de carga-paridade” (CPV), entre outros objetivos. Para tanto, o experimento utilizará prioritariamente neutrinos produzidos no acelerador do Fermilab, que comporão o mais poderoso feixe de neutrinos já estudado.

A produção do feixe terá início com a aceleração de prótons, que serão lançados sobre discos de grafite ou materiais similares. Ao colidirem com os átomos de carbono da grafite, os prótons acelerados produzirão píons (mésons, cada qual composto por um quark e um antiquark). Um dispositivo magnético confinará os píons positivos em um feixe estreito. Por meio do decaimento beta, esses píons positivos decaem espontaneamente em antimúons (léptons, semelhantes aos pósitrons, porém com massa muito maior) e neutrinos. Uma barreira de concreto e aço deterá os antimúons e deixará passar os neutrinos. Em resumo: entrarão prótons e sairão neutrinos. Assim será formado o feixe.

Um dos principais alvos do Dune, voltado para o estudo da CPV, será comparar o padrão de oscilação dos neutrinos com o padrão de oscilação dos antineutrinos. Os antineutrinos são as antipartículas dos neutrinos, que se distinguem dos neutrinos por seu spin ter sentido horário ao invés de anti-horário, quando observado no eixo do movimento. Se esses padrões não forem rigorosamente simétricos, o experimento fornecerá aos pesquisadores uma prova concreta da “violação de simetria de carga-paridade”. Por outro lado, existe também a possibilidade de o neutrino ser sua própria antipartícula, caso em que constituiria um exemplo concreto de uma classe hipotética de partículas denominadas “férmions de Majorana” (previstos teoricamente pelo grande físico italiano Ettore Majorana em 1937).

0 mil toneladas de argônio líquido

Para realizar as medições que responderão a estas e outras questões, o Dune disporá de dois grandes detectores, ambos nos Estados Unidos, posicionados ao longo da linha de propagação do feixe. O primeiro bem perto da fonte, no próprio Fermilab, no estado de Illinois . O segundo, muito maior, situado bem abaixo do nível do solo, e a 1.300 quilômetros da fonte, no estado de South Dakota. Não será necessário construir nenhum túnel dessa extensão, porque, devido ao fato de não terem carga, os neutrinos se propagam em linha reta, sem sofrerem nenhum tipo de desvio. Viajam em velocidade próxima à da luz e conseguem atravessar qualquer tipo de material existente no caminho. Por isso, para atingir o segundo detector, basta que o feixe seja rigorosamente apontado na direção correta. O conjunto de instalações, nas duas pontas, é denominado Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF).

“O financiamento para a construção da LBNF conta com cerca de 75% de aporte norte-americano e cerca de 25% de aporte internacional. Enquanto que, no financiamento do Dune, considerando os detectores e outros equipamentos necessários, a proporção se inverte: 25% de aporte norte-americano e 75% de aporte internacional”, contabilizou Thomson.

A grande característica tecnológica do Dune é que seu sistema de detecção se baseará no uso de argônio líquido – e não de outras substâncias, como a água, utilizada, por exemplo, no detector Super-Kamiokande, do Japão. O segundo detector do Dune, a ser instalado na Sanford Underground Research Facility (SURF), será constituído basicamente por quatro módulos gigantescos, cada qual preenchido por 17 mil toneladas de argônio, mantido em estado líquido por uma refrigeração a menos 184 graus Celsius. “Muitos dos experimentos anteriores com neutrinos utilizaram detectores preenchidos por água. Mas o argônio líquido possibilitará obter imagens das interações em 3D, com um grau sem precedentes de detalhamento e precisão”, afirmou Thomson.

Como ele explicou, a escolha do material levou em conta quatro virtudes do argônio líquido: trata-se de um material inerte (lembremos que o argônio participa da coluna dos “gases nobres” na Tabela Periódica, que reúne seis elementos naturais de baixa reatividade química); é relativamente barato; suporta altas voltagens (necessárias para os sistemas de detecção); e, acima de tudo, é um excelente cintilador.

Localizado quase 1.500 metros abaixo do nível do solo, o detector ficará protegido dos raios cósmicos que atingem a Terra, e, idealmente, será atravessado apenas pelos neutrinos produzidos no Fermilab e por neutrinos provenientes de fontes estelares. Por não serem suscetíveis às interações eletromagnética e nuclear forte, mas apenas às interações nuclear fraca e gravitacional, os neutrinos não poderão ser detectados diretamente. O que o detector registrará serão os chuveiros de partículas e luz produzidos quando eles interagirem com os átomos do argônio. As cintilações deverão ocorrer quando os aportes de energia providos pelos neutrinos arrancarem de suas órbitas elétrons dos átomos de argônio.

Decaimento do próton e formação de buracos negros

Três principais alvos de pesquisa foram destacados por Thomson: origem da matéria, explorando a conexão das oscilações dos neutrinos com a “violação da simetria de carga-paridade dos léptons”; unificação das quatro interações do Universo (gravitacional, eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca), por meio da detecção, nos grandes tanques de argônio líquido, de sinais do decaimento do próton; formação de estrelas de nêutrons e buracos negros, com a observação de neutrinos provenientes do colapso de supernovas.

O decaimento do próton não depende dos neutrinos. Trata-se de um fenômeno espontâneo, previsto pela teoria, porém jamais observado. A dificuldade de observação se deve à grande estabilidade do próton, cuja meia-vida é extremamente longa. Meia-vida é o tempo necessário para que a amostra de um determinado material seja reduzida pela metade devido ao processo de decaimento, no qual o material se decompõe em outros de menor energia. No caso do próton, o tempo previsto pela teoria é superior a 1033 anos – isto é, a mais de três vezes a idade estimada do Universo. Porém, como a meia-vida é um conceito estatístico, esse número se refere ao decaimento de uma coletividade de partículas e não de partículas individuais. Nada impede que prótons individuais tenham decaído no passado ou estejam decaindo agora.

Quatro tanques gigantescos de argônio líquido, com trilhões de prótons, e sistemas de detecção de acurácia sem precedentes constituem o cenário ideal para que um evento dessa natureza, caso ocorra, seja registrado. Neste caso, o experimento fornecerá uma comprovação empírica de modelos supersimétricos que buscam unificar três das quatro interações conhecidas: eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca (a quarta interação, gravitacional, ainda não foi incorporada aos modelos, devido à inexistência de uma teoria quântica da gravitação).

Quanto ao terceiro alvo de pesquisa, ele é de especial interesse para o estudo da gênese de estrelas de nêutrons e buracos negros. Colapsos de núcleos de supernovas situadas nas imediações do centro da Galáxia enviam à Terra fluxos de neutrinos com intensidades da ordem de mil partículas por segundo. O rastreamento dos traços dessas partículas nos tanques de argônio líquido possibilitará acompanhar, quase que passo a passo, a transformação desses objetos em corpos ultradensos, como estrelas de nêutrons e buracos negros, por força da compressão gravitacional.

Seja qual for o alvo, a detecção precisa da cintilação do argônio líquido é fundamental. Com o detector de fótons Arapuca, os pesquisadores de instituições brasileiras esperam ter um papel relevante na colaboração internacional do Dune. E buscam parcerias com colegas de outros países da América Latina para promover e dar consistência ao protagonismo da região. “Em apenas um ano de contatos, nosso grupo já reúne cerca de 60 pesquisadores, entre professores e alunos, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Universidade Federal do ABC (UFABC), Universidade Estadual Paulista (Unesp), Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF), Universidade Federal de Alfenas (Unifal), Universidade Federal Fluminense (UFF), Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Universidade Federal de Goiás (UFG) e Universidade Estadual de Feira de Santana (UEFS). E temos colaborações com pesquisadores da Colômbia, Peru, Paraguai, México e Argentina. Além de pesquisadores dos Estados Unidos, Itália, França, Reino Unido e Holanda”, informou Ana Amélia Bergamini Machado.

“A professora Ana Amélia e eu somos responsáveis por todo o sistema de fotodetecção do ProtoDune, que está sendo construído agora mesmo no CERN, com o objetivo de testar todas as soluções tecnológicas e técnicas que serão utilizadas posteriormente no Dune. O Arapuca é um dos principais componentes desse sistema”, acrescentou Ettore Segreto.

“No ProtoDune, o teste não será feito com neutrinos, mas com um feixe de partículas eletricamente carregadas, produzidas por um dos aceleradores do CERN. Esse feixe será direcionado para um detector preenchido com cerca de mil toneladas de argônio líquido. Será o maior detector dessa natureza, até a construção do primeiro módulo do Dune, com 10 mil toneladas. No total, o Dune utilizará 70 mil toneladas, 40 mil das quais comporão o tanque de detecção propriamente dito”, continuou.

O outro programa ao qual o Arapuca está sendo incorporado é o Short-Baseline Neutrino Program (SBN), do Fermilab. O SBN utilizará um feixe de neutrinos muito menos potente do que aquele programado para o Dune, e três detectores, postados em uma linha que vai de 100 metros a 1.000 metros da saída do feixe. Além da contribuição que o SBN dará para o Dune, com o desenvolvimento da tecnologia de detecção baseada no argônio líquido, o programa se justifica por si mesmo, pelos conhecimentos que pode aportar à física dos neutrinos.

O que são as massas dos neutrinos? Seriam os neutrinos suas próprias antipartículas? Neutrinos e antineutrinos oscilam diferentemente? Existem outros tipos de neutrinos além dos três “sabores” conhecidos? Estas são as principais perguntas que estão no horizonte do SBN. Um objeto de investigação de especial interesse é o chamado “neutrino estéril”, cuja eventual existência configuraria o quarto “sabor”.

O “neutrino estéril” não participaria da interação nuclear fraca. Sua única interação com a matéria conhecida do Universo se daria por meio da gravitação. Por isso, é praticamente impossível detectá-lo de forma direta. Sua presença poderia ser percebida, porém, por meio da influência que exerce no padrão de oscilação de feixe de neutrinos. Anomalia observada em experimentos anteriores (LSND e MiniBoone) sugeriu essa possível presença. Sugeriu, mas não confirmou. A eventual confirmação é um dos objetivos colocados agora para o SBN.

DA AGÊNCIA FAPESP