Neutrinos, partículas fundamentais fantasmagóricas que são famosas por serem difíceis de estudar, poderia fornecer aos cientistas pistas sobre a evolução do universo.

Eles são tão difíceis de pegar, na verdade, que é possível que haja um quarto tipo que está escondido bem debaixo de nossos narizes por décadas.

Cientistas do Fermi National Accelerator Laboratory, afiliado à UChicago, local da mais extensa pesquisa de neutrinos do mundo, estão liderando uma colaboração internacional para explorar a possibilidade de uma partícula completamente nova. Embora três tipos de neutrino sejam conhecidos, os cientistas estão procurando por um possível quarto - o neutrino estéril, cuja existência foi provocada, mas nunca claramente confirmada.

Os principais componentes do novo experimento de neutrino estão chegando de todo o mundo para serem integrados no próximo Detector de linha de base curta próxima, ou SBND, no Fermilab.

"O programa de linha de base curta visa abordar resultados interessantes de experimentos anteriores que podem indicar uma nova classe de neutrinos, o que abriria um completamente novo, área inesperada na física de neutrinos, "disse David Schmitz, Co-porta-voz da SBND e professor assistente de física da Universidade de Chicago. "Mas não importa o que encontremos, os resultados devem nos dar clareza sobre esse quebra-cabeça de longa data. "

No Fermilab, localizado a cerca de 45 milhas a oeste de Chicago, três detectores posicionam-se ao longo de um feixe de neutrinos gerado pelos aceleradores de partículas do Fermilab. Dos três, o novo detector ficará mais próximo da fonte do feixe, apenas 360 metros de distância. (Os outros dois, MicroBooNE e ICARUS, são 1, 500 pés e 2, 000 pés da fonte, respectivamente.)

"O motivo de você ter três detectores é que deseja amostrar o feixe de neutrino ao longo da linha de luz em distâncias diferentes, "disse a cientista de neutrinos do Fermilab Ornella Palamara, o outro porta-voz do projeto.

À medida que os neutrinos passam por um detector após o outro, alguns deles deixam rastros nos detectores. Os cientistas analisarão essas informações para buscar evidências firmes do hipotético, mas nunca visto, membro da família dos neutrinos.

Fazendo uma (dis) aparência

Os neutrinos vêm em um dos três "sabores":elétron, muon e tau. Eles mudam de um sabor para outro conforme viajam pelo espaço, que é chamado de oscilação. Neutrinos são conhecidos por oscilar dentro e fora dos três sabores, mas apenas mais evidências ajudarão os cientistas a determinar se eles também oscilam em um quarto tipo - um neutrino estéril.

Se esses neutrinos estéreis existem, eles não interagem com a matéria de forma alguma. (Os neutrinos com os quais estamos familiarizados interagem, mas apenas raramente.) Os resultados de outros experimentos sugeriram a possibilidade da existência do neutrino estéril, Mas por enquanto, ninguém o confirmou.

SBND, como o primeiro detector no feixe, irá registrar o número de neutrinos de elétrons e múons que passam por ele antes que a oscilação possa ocorrer. A grande maioria deles - cerca de 99,5% - serão neutrinos do múon. No momento de sua chegada aos detectores distantes, MicroBooNE e ICARUS, alguns em cada mil neutrinos do múon podem ter se convertido em neutrinos do elétron.

Dois resultados possíveis podem indicar a existência da nova partícula.

Uma é que os detectores distantes veem mais neutrinos de elétrons do que o esperado. Isso pode ser uma evidência de que neutrinos estéreis também estão presentes:os neutrinos podem estar se convertendo para dentro e para fora de estados de neutrino estéreis de uma forma que produz um excesso de neutrinos de elétrons. A outra é que os detectores distantes veem menos neutrinos do múon do que o esperado - os neutrinos do múon localizados no SBND "desaparecem" - porque se converteram em neutrinos estéreis.

"Ter um único experimento onde podemos ver o aparecimento do neutrino do elétron e o desaparecimento do neutrino do múon simultaneamente e ter certeza de que suas magnitudes são compatíveis entre si é extremamente poderoso para tentar descobrir oscilações de neutrino estéreis, "disse Schmitz." O detector de perto melhora substancialmente nossa capacidade de fazer isso. "

Componentes de três continentes

O primeiro dos quatro conjuntos de plano anódico, componentes eletrônicos altamente sensíveis, veio para o Fermilab em outubro. Mais estão a caminho.

Os conjuntos de plano anódico, quatro ao todo, fazem parte de um detector de 4 por 4 por 5 metros que ficará suspenso dentro de um tanque criogênico cheio de argônio líquido a -300 graus Fahrenheit. Cada montagem é uma enorme estrutura coberta com milhares de delicados fios sensoriais, projetado para rastrear partículas que saem de neutrinos colidindo com átomos de argônio no tanque.

SBND também será um campo de testes para algumas das tecnologias, incluindo os conjuntos de plano anódico, que será usado no experimento internacional Deep Underground Neutrino, conhecido como DUNE, um experimento de megaciência patrocinado pelo Fermilab que está atualmente em construção na Dakota do Sul.

Instituições na Europa, A América do Sul e os Estados Unidos estão ajudando a construir os vários componentes do SBND. Em tudo, mais de 20 instituições em três continentes estão envolvidas no esforço. Outra dúzia está colaborando em ferramentas de software para analisar dados assim que o detector estiver operacional, Schmitz disse.

"Fazer parte de uma colaboração internacional é ótimo, "Palamara disse." Claro, existem desafios, mas é fantástico ver pessoas vindas de todo o mundo para trabalhar no programa. Ter peças do detector montadas em lugares diferentes e ver tudo se encaixando é empolgante. "

A montagem do SBND está prevista para terminar no outono de 2019, depois disso, o detector será instalado em seu prédio ao longo do feixe de neutrino gerado pelo acelerador. O SBND está programado para começar a receber neutrinos até o final de 2020.