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Nos últimos seis anos, pesquisadores e colaboradores da Universidade de Indiana de todo o mundo têm procurado responder a perguntas importantes sobre as leis mais básicas da física que governam nosso universo. Seu experimento, o Majorana Demonstrator, ajudou a ampliar os horizontes da pesquisa sobre um dos blocos de construção fundamentais do universo: os neutrinos.
O relatório final do experimento foi publicado na Cartas de revisão física em fevereiro.
Neutrinos – partículas subatômicas semelhantes a um elétron, mas que não têm carga elétrica – são as segundas partículas mais abundantes no universo depois da luz. No entanto, são algumas das partículas mais difíceis de medir porque não interagem da mesma forma que outras partículas.
“Os neutrinos têm um impacto profundo no universo e na física em todas as escalas imagináveis, surpreendendo-nos no nível de interação de partículas e tendo um amplo impacto nas escalas cósmicas”, disse Walter Pettus, professor assistente de física na IU College of Arts. e Ciências. “Mas eles também são os mais frustrantes de estudar porque sabemos muito sobre eles, mas ainda temos muitas lacunas.”
O Majorana Demonstrator, uma colaboração de 60 pesquisadores de 24 instituições, foi projetado para preencher muitas dessas lacunas ao mesmo tempo, investigando as propriedades mais fundamentais dos neutrinos.
Um aspecto que esperavam observar era se o neutrino poderia ser sua própria antipartícula – uma partícula subatômica de mesma massa, mas com carga elétrica oposta. Como o neutrino não tem carga, é a única partícula no universo que pode ser sua própria antipartícula. Entender isso forneceria informações sobre por que o neutrino tem massa em primeiro lugar – informações que teriam impactos generalizados na compreensão de como o universo foi formado.
Para determinar se o neutrino é sua própria antipartícula, os pesquisadores precisaram observar uma ocorrência rara chamada decaimento beta duplo sem neutrinos. No entanto, este processo leva um único átomo pelo menos 1026 anos – significativamente mais do que a idade do universo. Em vez disso, eles escolheram observar quase 1026 átomos ao longo de seis anos.
Para observar essa decadência incrivelmente rara, os pesquisadores precisavam do ambiente perfeito. No Sanford Underground Research Facility, em Black Hills, em Dakota do Sul, localizado a 1,6 km de profundidade, eles construíram um dos ambientes mais limpos e silenciosos da Terra. Detectores extremamente sensíveis eram feitos de germânio de alta pureza e embalados em um escudo de chumbo de 50 toneladas e cercados por materiais de limpeza sem precedentes. Até o cobre usado foi cultivado no subsolo em seu laboratório com níveis de impureza tão baixos que não puderam ser medidos.
Pettus e uma equipe de alunos da IU foram os principais responsáveis pela análise dos dados do experimento. O aluno de pós-graduação Nafis Fuad, o aluno do último ano da graduação Isaac Baker, a estudante do segundo ano Abby Kickbush e Jennifer James, uma aluna do Programa de Experiências de Pesquisa para Graduados, estiveram envolvidos no projeto. Seu foco tem sido entender a estabilidade do experimento, analisando detalhes das formas de onda registradas e caracterizando os fundos.
“É como procurar uma pequena agulha em um palheiro muito, muito grande – você tem que se livrar cuidadosamente de todos os fenos (também conhecidos como fundos) possíveis, e você nem sabe se realmente há uma agulha lá dentro o primeiro lugar ou não”, disse Fuad. “É muito emocionante fazer parte dessa busca.”
Embora os pesquisadores não tenham observado o decaimento que esperavam, eles descobriram que a escala de decaimento do neutrino é maior do que o limite que eles colocaram nele, que eles testarão ainda mais durante a próxima fase do experimento. Além disso, eles registraram outros resultados científicos – que vão desde a matéria escura até a mecânica quântica – que ajudam a fornecer uma melhor compreensão do universo.
Através do projeto, os pesquisadores provaram que as técnicas que utilizaram poderiam ser usadas em uma escala muito maior em uma busca potencialmente revolucionária que poderia ajudar a explicar a existência da matéria no universo.
“Não vimos a decadência que procurávamos, mas elevamos o nível de onde procurar a física que procuramos”, disse Pettus. “Fiel ao seu nome, o Demonstrator avançou tecnologias críticas que já estamos aproveitando para a próxima fase do experimento na Itália. Podemos não ter quebrado nossa imagem da física ainda, mas certamente expandimos os horizontes, e estou muito entusiasmados com o que conseguimos.”
A próxima fase do projeto, chamada LEGEND-200, já começou a coletar dados na Itália, com planos para os próximos cinco anos. Os pesquisadores pretendem observar o decaimento acontecendo com uma sensibilidade de magnitude maior do que o Demonstrador de Majorana. Além disso, graças ao apoio do Departamento de Energia dos EUA, a equipe já está projetando o experimento sucessor, LEGEND-1000.
Pettus está entusiasmado com o futuro deste trabalho e espera envolver mais alunos no projeto, tanto na análise de dados quanto no desenvolvimento de hardware para o LEGEND-1000.
“Se descobrirmos que o neutrino é sua própria antipartícula, ainda haverá chão sob nossos pés e estrelas no céu, e nossa compreensão da física não mudará a realidade das leis físicas que sempre governaram e continuam a governar nosso universo, – Pettus disse. “Mas saber o que está lá embaixo no nível mais fundamental e como o universo funciona nos dá um mundo mais rico e bonito para se viver – ou possivelmente apenas mais estranho – e essa busca é fundamentalmente humana”.
O Majorana Demonstrator foi gerenciado pelo Oak Ridge National Laboratory para o Escritório de Física Nuclear do Departamento de Energia dos EUA, com o apoio da National Science Foundation.
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