Primeiros neutrinos detectados no detector de linha de base curta do Fermilab

Cientistas que trabalham no Short-Baseline Near Detector (SBND) no Laboratório Nacional do Acelerador Fermi identificaram as primeiras interações de neutrinos do detector.

A colaboração SBND vem planejando, prototipando e construindo o detector por quase uma década. Após um processo de alguns meses de ligar cuidadosamente cada um dos subsistemas do detector, o momento que todos estavam esperando finalmente chegou.

“Não é todo dia que um detector vê seus primeiros neutrinos”, disse David Schmitz, co-porta-voz da colaboração SBND e professor associado de física na Universidade de Chicago. “Todos nós passamos anos trabalhando para esse momento e esses primeiros dados são um começo muito promissor para nossa busca por uma nova física.”

O SBND é o elemento final que completa o Short-Baseline Neutrino Program (SBN) do Fermilab e desempenhará um papel crítico na solução de um mistério de décadas na física de partículas. Levar o SBND até este ponto foi um esforço internacional. O detector foi construído por uma colaboração internacional de 250 físicos e engenheiros do Brasil, Espanha, Suíça, Reino Unido e Estados Unidos.

O Modelo Padrão é a melhor teoria sobre como o universo funciona em seu nível mais fundamental. É o padrão ouro que os físicos de partículas usam para calcular tudo, desde colisões de partículas de alta intensidade em aceleradores de partículas até decaimentos muito raros. Mas, apesar de ser uma teoria bem testada, o Modelo Padrão é incompleto. E nos últimos 30 anos, vários experimentos observaram anomalias que podem sugerir a existência de um novo tipo de neutrino.

Neutrinos são a segunda partícula mais abundante no universo. Apesar de serem tão abundantes, eles são incrivelmente difíceis de estudar porque eles só interagem através da gravidade e da força nuclear fraca, o que significa que eles raramente aparecem em um detector.

Neutrinos vêm em três tipos, ou sabores: múon, elétron e tau. Talvez a coisa mais estranha sobre essas partículas é que elas mudam entre esses sabores, oscilando de múon para elétron para tau.

Os cientistas têm uma boa ideia de quantos de cada tipo de neutrino devem estar presentes em diferentes distâncias de uma fonte de neutrino. No entanto, observações de alguns experimentos anteriores com neutrinos discordaram dessas previsões.

“Isso pode significar que há mais do que os três sabores de neutrinos conhecidos”, explicou a cientista do Fermilab Anne Schukraft. “Ao contrário dos três tipos conhecidos de neutrinos, esse novo tipo de neutrino não interagiria por meio da força fraca. A única maneira de vê-los é se a medição do número de neutrinos de múon, elétron e tau não estiver somando como deveria.”

O Short Baseline Neutrino Program no Fermilab realizará buscas por oscilação de neutrinos e buscará evidências que possam apontar para este quarto neutrino. O SBND é o detector próximo do Short Baseline Neutrino Program, enquanto o ICARUS, que começou a coletar dados em 2021, é o detector distante. Um terceiro detector chamado MicroBooNE terminou de registrar colisões de partículas com a mesma linha de luz de neutrinos no mesmo ano.

O Short Baseline Neutrino Program no Fermilab difere das medições anteriores de linha de base curta com neutrinos feitos por aceleradores porque ele apresenta um detector próximo e um detector distante. O SBND medirá os neutrinos conforme eles foram produzidos no feixe do Fermilab e o ICARUS medirá os neutrinos depois que eles potencialmente oscilaram. Então, onde experimentos anteriores tiveram que fazer suposições sobre a composição original do feixe de neutrinos, o SBN Program definitivamente saberá.

“Entender as anomalias vistas por experimentos anteriores tem sido um objetivo importante no campo nos últimos 25 anos”, disse Schmitz. “Juntos, SBND e ICARUS terão uma capacidade extraordinária de testar a existência desses novos neutrinos.”

Além da busca por novos neutrinos

Além de procurar um quarto neutrino junto com o ICARUS, o SBND tem um interessante programa de física próprio.

Por estar localizado tão perto do feixe de neutrinos, o SBND verá 7.000 interações por dia, mais neutrinos do que qualquer outro detector do gênero. A grande amostra de dados permitirá que os pesquisadores estudem as interações de neutrinos com precisão sem precedentes. A física dessas interações é um elemento importante de experimentos futuros que usarão argônio líquido para detectar neutrinos, como o Deep Underground Neutrino Experiment de linha de base longa, conhecido como DUNE.

Sempre que um neutrino colide com o núcleo de um átomo, a interação envia um jato de partículas que atravessa o detector. Os físicos precisam levar em conta todas as partículas produzidas durante essa interação, tanto as visíveis quanto as invisíveis, para inferir as propriedades dos neutrinos fantasmagóricos.

É relativamente fácil modelar o que acontece com núcleos simples, como hélio e hidrogênio, mas o SBND, como muitos experimentos modernos de neutrinos, usa argônio para capturar neutrinos. O núcleo de um átomo de argônio consiste em 40 núcleons, tornando as interações com o argônio mais complexas e mais difíceis de entender.

“Coletaremos 10 vezes mais dados sobre como os neutrinos interagem com o argônio do que todos os experimentos anteriores combinados”, disse Ornella Palamara, cientista do Fermilab e co-porta-voz do SBND. “Então, as análises que fizermos também serão muito importantes para o DUNE.”

Mas os neutrinos não serão as únicas partículas que os cientistas do SBND ficarão de olho. Com o detector localizado tão perto do feixe de partículas, é possível que a colaboração possa ver outras surpresas.

“Pode haver coisas, fora do Modelo Padrão, que não têm nada a ver com neutrinos, mas são produzidas como um subproduto do feixe que o detector seria capaz de ver”, disse Schukraft.

Uma das maiores questões para as quais o Modelo Padrão não tem resposta é a matéria escura. Embora o SBND só seja sensível a partículas leves, essas partículas teóricas poderiam fornecer um primeiro vislumbre de um “setor escuro”.

“Até agora, as buscas ‘diretas’ de matéria escura por partículas massivas não revelaram nada”, disse Andrzej Szelc, coordenador de física do SBND e professor da Universidade de Edimburgo. “Teóricos criaram uma infinidade de modelos de setor escuro de partículas escuras leves que poderiam ser produzidas em um feixe de neutrinos e o SBND será capaz de testar se esses modelos são verdadeiros.”

Essas assinaturas de neutrinos são apenas o começo para o SBND. A colaboração continuará operando o detector e analisando os muitos milhões de interações de neutrinos coletadas pelos próximos anos.

“Ver esses primeiros neutrinos é o início de um longo processo no qual estamos trabalhando há anos”, disse Palamara. “Este momento é o início de uma nova era para a colaboração.”