Na física, a antimatéria é simplesmente o "oposto" da matéria. As partículas de antimatéria têm a mesma massa que suas contrapartes, mas com outras propriedades invertidas; por exemplo, prótons na matéria têm carga positiva, enquanto os antiprótons são negativos. A antimatéria pode ser feita em um laboratório usando colisões de partículas de alta energia, mas esses eventos quase sempre criam partes iguais de antimatéria e matéria e, quando duas partículas opostas entram em contato uma com a outra, ambos são destruídos em uma poderosa onda de pura energia.

O que intriga os físicos é que quase tudo no universo, pessoas incluídas, é feito de matéria, não de matéria e antimatéria em partes iguais. Ao procurar ideias que possam explicar o que impediu o universo de criar galáxias de matéria e antimatéria separadas, ou explodindo no nada, os pesquisadores encontraram algumas evidências de que a resposta pode estar escondida em partículas muito comuns, mas pouco conhecidas, conhecidas como neutrinos.

Uma equipe de pesquisadores liderada por Christopher Mauger publicou os resultados do primeiro conjunto de experimentos que podem ajudar a responder a essas e outras questões da física fundamental. Como parte do programa de Aparelho Criogênico para Testes de Precisão de Interações de Argônio com Neutrino (CAPTAIN), seus resultados, publicado em Cartas de revisão física , são um primeiro passo importante para a construção do Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), uma instalação experimental para ciência de neutrinos e pesquisa em física de partículas.

Compactadores de partículas, como o Large Hadron Collider no CERN, fazer experimentos em quarks, um tipo de partícula elementar. Esses experimentos encontraram algumas evidências que explicam a simetria matéria-antimatéria, mas apenas parte dele. Experimentos em outro tipo de partícula elementar, léptons, sugere que essas partículas poderiam explicar mais completamente essa assimetria universal. Pesquisas anteriores sobre neutrinos, um tipo de leptão, encontraram padrões inesperados nos três sabores de neutrino, "resultados que os físicos acreditam também podem significar que sua assimetria pode ser maior do que o esperado.

Mas o desafio de estudar neutrinos é que eles raramente interagem com outras partículas; um único neutrino pode passar por um ano-luz de chumbo sem fazer nada. Encontrar essas interações raras significa que os pesquisadores precisam estudar um grande número de neutrinos por longos períodos de tempo. Como um desafio adicional, o fluxo constante de múons produzidos por interações de raios cósmicos na atmosfera superior pode tornar difícil detectar as interações raras que os pesquisadores estão mais interessados ​​em ver.

A solução? Vá 5, 000 pés no subsolo, construir quatro detectores de 10 quilotons cheios de argônio líquido, e disparar um feixe de neutrinos feito em um acelerador de partículas a 800 milhas de distância. Este é o objetivo final de DUNE, um centro internacional de pesquisa de neutrinos administrado pelo Fermilab, um laboratório de física de partículas e acelerador perto de Chicago. Escavações para o detector, que será instalado no Sanford Underground Research Facility em South Dakota, estão em andamento, e os pesquisadores agora estão ocupados com experimentos antes que o primeiro detector seja instalado em 2022.

Por ser a primeira publicação do CAPTAIN, pesquisadores abordaram um desafio técnico chave:como lidar com medições em outras interações de partículas. Por exemplo, quando um neutrino interage com o argônio, o neutrino pega uma carga e expulsa nêutrons. Uma grande fração da energia da interação irá para o nêutron, mas não foi possível determinar o valor. "Devemos compreender as interações argônio-nêutron se quisermos fazer o experimento que vai impactar nossa compreensão da assimetria da matéria e da antimatéria, "diz Mauger.

Ele e sua equipe construíram um protótipo de 400 quilos do detector DUNE, conhecido como Mini-CAPTAIN, e dados coletados de um feixe de nêutrons no Laboratório Nacional de Los Alamos. O ex-pós-doutorado da Penn Jorge Chaves, que trabalhou como líder de análise para esta pesquisa, diz que a maior parte do trabalho envolveu reconstruir os sinais do detector em percepções significativas sobre as propriedades que eles estão interessados ​​em estudar mais a fundo.

Como o primeiro conjunto de dados sobre interações de nêutrons em argônio líquido nas faixas de energia que serão usadas no DUNE, Chaves diz que está animado com os resultados obtidos até agora, mesmo que eles ainda precisem obter dados adicionais. "Antes, não houve medição desta seção transversal de interação, mas agora fornecemos resultados experimentais reais, "diz ele." Com mais dados da mesma qualidade, seríamos capazes de fazer uma medição ainda mais precisa. "

No curto prazo, a equipe do CAPTAIN se concentrará em refinar os métodos desenvolvidos para este artigo, bem como na execução de outros experimentos antes que o DUNE comece a coletar dados em 2026. Assim que o projeto começar oficialmente, pesquisadores esperam poder usar esta facilidade para ajudar a responder a perguntas dos campos da física de partículas, física nuclear, e até astrofísica.

Mauger considera os esforços contínuos do CAPTAIN e outros projetos como "P&D em Física, "um trabalho que ajudará os pesquisadores a coletar medições importantes e estudar fenômenos de uma forma nunca antes feita. Os muitos objetivos elevados do DUNE levarão décadas para serem concluídos, mas Mauger diz que o que eles estão tentando alcançar faz com que o esforço valha a pena.

"Neutrinos são tão difíceis de medir, meio enigmático, e há algum tipo de fascínio em tentar entender como eles funcionam. Estudando essa partícula realmente interessante que está ao nosso redor, e ainda é tão difícil de medir, que pode ser a chave para entender por que estamos aqui, é empolgante - e faço isso para viver, "diz Mauger.