Pesquisadores descobrem nova maneira de purificar argônio líquido para experimentos com neutrinos

Trabalhadores da construção civil terminaram a escavação das enormes cavernas que abrigarão o Deep Underground Neutrino Experiment internacional. Enquanto engenheiros e técnicos se preparam para a instalação dos gigantescos detectores de neutrinos nessas cavernas a uma milha de profundidade, cientistas ao redor do mundo estão trabalhando para otimizar a tecnologia de detector de partículas do DUNE.

De novos sistemas de detecção de fótons a designs de detectores aprimorados, os pesquisadores estão refinando dispositivos e tecnologias para tornar os detectores de neutrinos do DUNE — câmaras de projeção de tempo de argônio líquido — os melhores possíveis para medições de neutrinos mais precisas.

A pureza do argônio líquido dentro dos criostatos DUNE, que é crucial para observar partículas e luz criadas por interações de neutrinos no líquido, também pode receber uma atualização. Uma equipe interdisciplinar de pesquisadores no Brasil descobriu que um meio filtrante normalmente usado em aplicações industriais pode filtrar a contaminação por nitrogênio no argônio líquido. Futuros testes em larga escala ajudarão a determinar se esse método promissor pode ser aplicável ao DUNE.

“Começamos com o objetivo de encontrar novos materiais que pudessem capturar oxigênio e água de forma mais eficiente”, disse o pesquisador líder Pascoal Pagliuso, professor de física no Instituto de Física “Gleb Wataghin”, Unicamp em Campinas-São Paulo. “Decidimos tentar encontrar uma maneira de capturar nitrogênio também. E conseguimos.”

Neutrinos são as partículas de matéria mais abundantes no universo, mas são difíceis de detectar. Para que os cientistas do DUNE observem alguns dos neutrinos voando através de seus gigantescos detectores de partículas, os neutrinos devem interagir com alguma coisa.

No caso do DUNE, hospedado pelo Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA, os neutrinos colidirão com átomos de argônio. O processo cria partículas secundárias que soltam elétrons e emitem breves flashes de luz de cintilação.

Instrumentos podem registrar os elétrons e a luz para que cientistas possam identificar e reconstruir as partículas e trilhas que as colisões produzem. No entanto, para que essa medição aconteça, as partículas precisam ter um caminho claro e desobstruído através do argônio líquido até os dispositivos de detecção. Em particular, o argônio líquido tem que ser ultrapuro e conter poucos átomos de outros elementos que possam absorver elétrons ou luz.

Um desafio complicado

Pesquisadores e engenheiros garantem que o argônio líquido nos detectores seja o mais puro possível, filtrando contaminantes como água e oxigênio. Essas são duas das impurezas mais comuns. No entanto, há um terceiro contaminante que é comum: nitrogênio. Embora os pesquisadores de neutrinos tenham métodos bem estabelecidos para filtrar água e oxigênio, reduzir os níveis de nitrogênio abaixo dos níveis fornecidos por provedores comerciais tem sido um desafio.

O nitrogênio pode ter um impacto significativo nos resultados de experimentos — até 20% da luz de cintilação pode ser perdida mesmo com apenas uma parte por milhão de nitrogênio presente no argônio líquido. Com experimentos ambiciosos como o DUNE, garantir a qualidade de todos os componentes e materiais do detector para produzir os melhores resultados é essencial para descobrir mais sobre os neutrinos e seu papel no mundo subatômico.

Atualmente, o Fermilab usa uma peneira molecular e um material de cobre para filtrar água e oxigênio, respectivamente, mas nenhum deles consegue capturar nitrogênio do argônio líquido.

Liderados por Pagliuso, pesquisadores no Brasil descobriram uma maneira de reduzir até mesmo pequenos níveis de contaminação de nitrogênio em argônio líquido. Sua equipe interdisciplinar de físicos e engenheiros encontrou um material que remove tanto nitrogênio quanto água.

Combinado com um meio filtrante como o material de cobre usado pelo Fermilab, o meio pode remover os três contaminantes mais comuns de argônio líquido, garantindo que o argônio seja o mais puro possível para experimentos com neutrinos.

O material é conhecido como Lithium-FAU, uma zeólita Faujasite LiX. Esse tipo de material de aluminossilicato tem aplicações industriais no refino de petróleo e na purificação do ar. A equipe brasileira descobriu que ele também tem a capacidade de remover nitrogênio do argônio líquido por meio de adsorção. “É como quando você tem um remédio para uma doença e descobre que ele também funciona para outra doença”, disse Pagliuso.

Quando zeólitas são usadas como adsorventes para refinar ou purificar líquidos e gases, elas atraem partículas específicas que grudam em sua superfície enquanto permitem que outras passem pela estrutura cristalina. É o conceito que se aplica ao colocar pacotes de sílica gel em sapatos novos para capturar umidade: a água gruda na superfície das esferas de sílica gel para que a umidade não danifique os sapatos.

Nesse caso, as moléculas de nitrogênio interagem com os íons carregados positivamente na zeólita; o tamanho das moléculas de lítio é pequeno o suficiente para deixar espaço para o nitrogênio ser capturado e para o argônio líquido fluir livre de contaminantes.

O ramo de engenharia química da equipe de pesquisa da Unicamp desenvolveu simulações para prever como o nitrogênio seria adsorvido pelo Li-FAU, dando aos experimentadores do DUNE a estrutura necessária para testar o desempenho do meio no ambiente específico de argônio líquido em um criostato.

“Prever o comportamento do filtro é importante para determinar a capacidade do filtro”, disse Dirceu Noriler, professor e diretor da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp. “Ajudamos os engenheiros a projetar o filtro especificando o tempo de saturação e o número de ciclos necessários para atingir a pureza necessária.”

Testes bem-sucedidos

Pesquisadores e engenheiros testaram inicialmente a mídia no relativamente pequeno Liquid Argon Purification Cryostat na Unicamp com aproximadamente 90 litros de argônio líquido. Seus resultados bem-sucedidos coincidiram com as simulações que Noriler e sua equipe desenvolveram.

Mais testes foram realizados no outono passado no estande de teste ICEBERG de 3.000 litros na Noble Liquid Test Facility do Fermilab, que foi preenchido com 2.625 litros de argônio líquido para este teste em particular. Os resultados confirmaram a capacidade do Li-FAU de remover nitrogênio do argônio líquido em uma escala maior.

“A Noble Liquid Test Facility aqui no Fermilab dá suporte a todos os tipos de P&D de detectores de argônio líquido, e ficamos muito felizes com os resultados. Pretendemos adicionar Li-FAU à instalação o mais rápido possível para que, além do DUNE, todos os projetos que trabalham na melhoria dos sistemas de coleta de luz possam se beneficiar”, disse Flor de María Blaszczyk, coordenadora de P&D e gerente da instalação de testes no Fermilab.

Não só o meio de purificação melhorará a qualidade do argônio líquido que o Fermilab usa para experimentos, mas também permitirá a remoção de contaminantes de nitrogênio se o ar for acidentalmente introduzido no criostato devido ao mau funcionamento do equipamento. O nitrogênio é o elemento mais abundante no ar, então saber como filtrá-lo será crucial para garantir que o DUNE e outros experimentos não sejam comprometidos.

O próximo passo é trabalhar para aumentar a escala dos testes com volumes maiores de argônio líquido para garantir que a mídia tenha o mesmo desempenho que tem até agora. Os cientistas esperam que, no final das contas, o método seja capaz de remover nitrogênio na grande escala necessária para o DUNE, que contará com módulos detectores que contêm cada um 17.500 toneladas de argônio líquido.