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Cientistas do Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) estão relatando as primeiras detecções bem-sucedidas de neutrinos usando um novo protótipo de detector de partículas.
Um dos experimentos mais ambiciosos envolvendo neutrinos já realizados, a conquista marca um avanço significativo para o sistema protótipo localizado no Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) do Departamento de Energia dos EUA. O teste bem-sucedido do protótipo abrirá caminho para a plena realização do programa DUNE, que visa resolver mistérios que incluem por que há menos antimatéria do que matéria normal em nosso universo.
O anúncio segue descobertas semelhantes como os recentemente anunciados pelo Forward Search Experiment (FASER) no Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN, que levaram à primeira detecção bem-sucedida de neutrinos de elétrons e muões em faixas de energia nunca antes vistas.
Misteriosas “Partículas Fantasmas”
Neutrinos são alguns dos alvos mais intrigantes de pesquisa na física moderna. Uma razão para isso é que essas partículas subatômicas neutras ocupam um lugar importante no Modelo Padrão da física de partículas; embora sejam extremamente abundantes em todo o universo, sua natureza elusiva — interagindo muito raramente com a matéria — lhes rendeu o apelido de “partículas fantasmas”.
Para os físicos de partículas, desvendar os mistérios dessas raras interações de neutrinos é a chave para aprofundar nossa compreensão do universo. Tais insights poderiam potencialmente responder a questões fundamentais, incluindo as origens da massa e o domínio da matéria sobre a antimatéria, bem como quais processos estão por trás de fenômenos como a formação de buracos negros e supernovas.
O experimento DUNE, que ainda está em construção, incorporará tecnologias de ponta para permitir aos físicos de partículas uma oportunidade sem precedentes de estudar as partículas mais elusivas da natureza. Antes de sua conclusão, experimentos envolvendo detectores protótipos deram aos cientistas uma oportunidade de conduzir testes que ajudarão a garantir que o programa DUNE, uma vez concluído, possa atingir a funcionalidade ideal.
No início deste ano, a equipe DUNE começou a instalação de seu protótipo mais recente no caminho de uma linha de luz de neutrinos já em operação no Fermilab. Então, em 10 de julho, a primeira detecção bem-sucedida de neutrinos usando o feixe foi anunciadouma conquista que fornece validação crucial para a função e o design do novo detector.
A vanguarda da tecnologia de detecção de neutrinos
Como um componente do plano mais amplo para o complexo de detectores próximos DUNE, o sistema experimental atual é apelidado de protótipo 2×2 por seu design exclusivo que incorpora um arranjo quadrado consistindo de quatro módulos. Ele funciona registrando trilhas produzidas por partículas com câmaras de projeção de tempo de argônio líquido.
O protótipo é capaz de gerar imagens 3D de alta precisão de interações de neutrinos e se baseia em pesquisas conduzidas no Lawrence Berkeley National Laboratory, também uma instalação do DOE, e instituições como a Universidade de Berna, na Suíça. Ele também inclui um sistema de leitura de pixels de tamanho milimétrico que produz imagens de neutrinos em larga escala com mais detalhes.
“Este é um marco verdadeiramente importante que demonstra o potencial desta tecnologia”, de acordo com a cientista do Fermilab Louise Suter, que ajudou a dirigir a instalação do novo módulo. Suter disse que foi “fantástico ver esta validação do trabalho duro colocado no design, construção e instalação do detector”.
Uma vez que sua construção esteja concluída, a versão final do detector próximo DUNE contará com um total de 35 módulos de argônio, que serão maiores do que os módulos atuais que o protótipo apresenta. Os módulos maiores na versão final do detector ajudarão muito no gerenciamento do fluxo significativo de neutrinos que está previsto para ocorrer no local.
No momento, os dados iniciais coletados pelo protótipo 2×2 já estão se mostrando promissores para as capacidades futuras do detector DUNE. A capacidade do sistema de registrar e analisar interações de neutrinos oferecerá uma visão sem precedentes do comportamento dessas partículas enigmáticas, incluindo insights sobre uma área crucial de pesquisa que envolve a diferença entre oscilações de neutrinos e antineutrinos.
Tais insights acabarão por conceder aos cientistas uma compreensão mais profunda dos fenômenos, incluindo o motivo pelo qual parece haver mais matéria do que antimatéria no universo. Este é um enigma antigo na física, já que, em teoria, quantidades iguais de cada um deveriam ter sido produzidas no início do nosso universo. É possível que as condições logo após o Big Bang possam ter mostrado mais favor à matéria do que à antimatéria, embora os cientistas permaneçam incertos sobre o porquê.
DUNE se move em direção ao status operacional
Quando o detector próximo estiver concluído no Fermilab, onde o protótipo 2×2 está sendo testado, o feixe de neutrinos usado nos experimentos será estudado em sua maior intensidade, onde centenas de milhões de interações de neutrinos serão registradas.
No entanto, esse não é o único componente do detector DUNE. O projeto inteiro será composto por dois locais separados abrangendo várias centenas de milhas, que incluem a instalação do Fermilab e a Sanford Underground Research Facility em Dakota do Sul, onde partículas que atravessaram a Terra serão estudadas usando detectores massivos localizados lá. Isso permitirá que os cientistas estudem o que é conhecido como oscilação de neutrinos, o que pode ajudar a lançar luz sobre a assimetria conhecida como violação de CP, que pode estar relacionada ao desequilíbrio universal entre matéria e antimatéria.
No momento, os testes da equipe do Fermilab com o protótipo 2×2 desempenham um papel importante na definição das capacidades do detector concluído, que deve ser capaz de sustentar altas taxas de interações entre neutrinos e antineutrinos. O protótipo 2×2 está atualmente passando por testes que incluem a análise das interações entre antineutrinos e átomos de argônio, o que ajuda a equipe de pesquisa a avaliar as capacidades do detector antes de entrar em operação total.
A primeira detecção bem-sucedida de neutrinos pelo protótipo 2×2 é um passo importante em direção à plena realização do projeto DUNE, fornecendo dados potencialmente cruciais antes de sua conclusão. O detector concluído será armado com capacidades que podem ajudar a lançar luz sobre algumas das questões mais desconcertantes que os cientistas têm sobre o cosmos.
“Este é um marco emocionante para a equipe 2×2 e para toda a colaboração DUNE”, disse Sergio Bertolucci, professor de física na Universidade de Bolonha, Itália, e porta-voz do projeto DUNE, em um declaração anunciando a conquista do protótipo.
“Que esta seja a primeira de muitas interações de neutrinos para DUNE”, acrescentou Bertolucci.
Micah Hanks é o editor-chefe e cofundador do The Debrief. Ele pode ser contatado por e-mail em micah@thedebrief.org. Acompanhe o trabalho dele em micahhanks.com e em X: @MicahHanks.
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