O Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) é uma colaboração de pesquisa internacional que visa explorar tópicos relacionados a neutrinos e decaimento de prótons, que deve começar a coletar dados por volta de 2025. Em um estudo recente apresentado em Cartas de revisão física , uma equipe de pesquisadores da Ohio State University mostrou que o DUNE tem o potencial de fornecer resultados inovadores e percepções sobre os neutrinos solares.

A astronomia de neutrinos é uma área que estuda os diferentes tipos de neutrinos. Pesquisa neste campo, como o recente estudo realizado pela equipe da Ohio State University, aumentou dramaticamente nas últimas décadas.

"Até onde sabemos, neutrinos são partículas elementares, o que significa que eles não são compostos por 'peças menores, '"Francesco Capozzi, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Essas partículas não possuem nenhuma carga elétrica, portanto não podem interagir eletromagneticamente por meio da força que mantém os elétrons e os prótons juntos em um átomo."

Neutrinos são partículas fascinantes, pois suas propriedades principais são muito diferentes das de outras partículas elementares. Por exemplo, suas massas são incrivelmente pequenas, aproximadamente um milionésimo das próximas partículas mais leves (ou seja, elétrons).

Outra característica única dos neutrinos é que eles só podem interagir com outras matérias por meio da chamada 'interação fraca'. Como sugerido por seu nome, esta 'interação fraca' é muito mais fraca do que a eletromagnética; tão fracos que os neutrinos podem viajar através da Terra ou do sol sem nunca interagir com outras partículas. Além disso, como eles são neutros no comando, os neutrinos não são afetados pelos campos magnéticos da Terra ou do sol.

"As propriedades dos neutrinos os tornam sondas únicas do universo, "Capozzi disse." Eles podem transportar informações de regiões que seriam inacessíveis de outra forma. "

Existem várias fontes de neutrinos, e dependendo de onde são produzidos, eles podem diferir em fluxos, energias por partícula, e outras propriedades. Neutrinos solares, por exemplo, são produzidos no núcleo do sol, mas pode então escapar para outras partes do sistema solar. Aproximadamente 60 bilhões de neutrinos de elétrons por centímetro quadrado chegam do Sol à Terra a cada segundo. A análise dessas partículas pode permitir aos pesquisadores descobrir informações em tempo real sobre o que está acontecendo no centro do sol.

Outro tipo de neutrino compreende aqueles produzidos durante as explosões superenergéticas de estrelas massivas, neutrinos de supernova. Esses neutrinos chegam à Terra horas antes da luz produzida na explosão, e vêm diretamente da parte mais interna de uma estrela em explosão, onde a densidade é tão alta que até mesmo os neutrinos podem ficar presos por um tempo. Estes são apenas alguns exemplos de fontes de neutrinos, mas existem inúmeros outros, alguns dos quais ainda não foram detectados.

"Existem até neutrinos que se propagam livremente pelo universo desde cerca de um segundo após o Big Bang, que carregam as marcas do universo primordial, "Disse Capozzi." No entanto, ainda não conseguimos detectá-los. "

Com base no que os astrofísicos observaram até agora, neutrinos vêm em três 'sabores' principais:neutrinos de elétrons, neutrinos do múon e neutrinos do tau. Cada um desses diferentes 'sabores' é identificado com base na partícula carregada produzida durante uma interação fraca (isto é, elétrons, múons ou taus).

Até aqui, detectar e estudar neutrinos tem se mostrado incrivelmente desafiador, principalmente devido ao fato de que raramente interagem com outros assuntos. Uma maneira de superar essa limitação é construir grandes detectores que compensem a baixa probabilidade de interações de neutrinos aumentando o número de partículas possíveis com as quais eles podem interagir.

O detector Super-Kamiokande (Super-K) no Japão, que consiste essencialmente em um tanque cheio com 50, 000 toneladas da água mais pura disponível na Terra, é atualmente o maior detector disponível para neutrinos MeV (baixa energia). Neutrinos de baixa energia são aqueles na faixa de energia MeV, que são produzidos principalmente em processos nucleares, por exemplo, por meio de reações de fusão no sol ou no centro de estrelas em explosão.

"Outro problema é que não podemos ver os próprios neutrinos usando detectores; só podemos ver a partícula carregada produzida em suas interações, "Capozzi explicou. Em Super-Kamiokande, por exemplo, vemos a luz que essas partículas carregadas emitem na água quando viajam quase na velocidade da luz. "

O sol é uma das fontes naturais mais importantes de neutrinos, pois são produzidos pelas mesmas reações nucleares que permitem que o sol brilhe. Quando os cientistas começaram a detectar neutrinos solares na década de 1960, eles descobriram que havia menos neutrinos de elétrons do que esperavam.

"Uma possível explicação para esta anomalia era que os neutrinos mudavam de sabor durante a propagação, "Capozzi explicou." Este fenômeno, agora conhecido como oscilação de neutrino, só é fisicamente possível se os neutrinos tiverem massa. Demorou cerca de 30 anos para confirmar que a anomalia do neutrino solar era, na verdade, devido às oscilações de neutrino. "

Essencialmente, embora os neutrinos tenham sabores diferentes, os cientistas descobriram que eles também podem oscilar e 'mudar os sabores'. Os dois físicos que descobriram isso, Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald, receberam o Prêmio Nobel de Física em 2015.

"Talvez a coisa mais estranha sobre os neutrinos é que eles oscilam, "Shirley Li, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Neutrinos nascidos com um sabor podem se transformar em neutrinos com sabor diferente depois de se propagarem por uma certa distância. Imagine como você ficaria surpreso se comprasse uma xícara de sorvete de chocolate e visse que se transformava em sorvete de morango assim que abri-la em Os físicos ficaram igualmente surpresos quando a oscilação dos neutrinos foi descoberta. "

Desde a descoberta das oscilações de neutrinos, pesquisadores têm usado neutrinos solares para determinar os parâmetros que descrevem suas oscilações. Apesar dos enormes esforços para conseguir isso, muitas perguntas permanecem sem resposta.

Em primeiro lugar, os pesquisadores não foram capazes de observar todas as reações nucleares por meio dos neutrinos correspondentes. Por exemplo, neutrinos 'hep', que são produzidos a partir da fusão de um núcleo de Hélio e um próton, provaram ser particularmente difíceis de observar. Na verdade, enquanto os neutrinos hepáticos são os mais energéticos entre os neutrinos solares, eles têm um fluxo muito pequeno em comparação com outros neutrinos.

Além disso, os parâmetros de oscilação determinados em experimentos de neutrinos solares não estão em total concordância com as medidas coletadas em outros tipos de experimentos. Isso pode ser devido a alguns fenômenos físicos desconhecidos que afetam apenas os neutrinos solares.

"Não ficamos sem perguntas sobre os neutrinos solares, esgotamos os avanços do detector, "John Beacom, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org.

Devido às limitações dos detectores existentes, a maioria dos experimentos atuais com neutrinos provavelmente não será capaz de responder a perguntas sem resposta. Isso inspirou uma grande equipe internacional de pesquisadores a começar a construir DUNE, um grande detector em uma mina em Dakota do Sul que fica a 4.850 pés de profundidade.

"No passado, já foi discutido que o DUNE pode ser usado como um detector de neutrino solar, também, "Disse Capozzi." No entanto, nenhum estudo completo nesta direção foi realizado. Decidimos cobrir essa lacuna, mostrando que DUNE é realmente capaz de fornecer as respostas a essas perguntas, basicamente sem investimento de dinheiro extra. "

Em seu estudo recente, Capozzi, Li, Beacom e seu colega Guanying Zhu decidiram provar que a mina DUNE também poderia ser um detector de neutrino solar líder mundial. Para fazer isso, eles primeiro avaliaram a quantidade de fundo da mina, que é essencialmente algo observado em um detector que imita o sinal que se está procurando, mesmo que tenha uma origem totalmente diferente. Este pano de fundo pode confundir e afetar adversamente a medição e detecção de neutrinos.

"Na faixa de energia relevante para neutrinos solares, o fundo mais importante vem da radioatividade natural, "Capozzi explicou." Como o experimento será baseado em uma caverna em uma mina profunda, a radioatividade vem da rocha circundante. Para fazer uma estimativa do background, primeiro temos que entender a composição rochosa esperada para o local do detector. "

Simular eventos de segundo plano em DUNE provou ser um pouco desafiador, pois podem vir de uma variedade de fontes, e, portanto, identificá-los requer análises aprofundadas. Quando eles começaram a trabalhar em seu estudo, os pesquisadores então começaram a investigar as fontes de fundo para experimentos com neutrinos realizados no passado e calcularam essas taxas no contexto do DUNE.

"Acontece que suas taxas são razoavelmente baixas em comparação com as taxas de sinal, "Li disse." No entanto, no meio do nosso estudo, descobrimos na literatura a existência deste fundo particular apenas para detectores de argônio. Estes são nêutrons de baixa energia produzidos a partir de radioatividades nas rochas circundantes. Este acabou sendo o pano de fundo dominante para a medição de neutrinos solares em DUNE. "

Os pesquisadores basearam suas análises na literatura anterior que descreve os aspectos geológicos da mina de DUNE, que são de importância crucial para completar as escavações adequadas. Conhecendo a composição exata da rocha na mina, eles foram então capazes de realizar um cálculo para prever o histórico esperado. Subseqüentemente, eles usaram ferramentas estatísticas para avaliar a precisão que o DUNE pode alcançar na medição dos parâmetros de oscilação e do fluxo de neutrinos que escapam do sol.

Uma vez que eles identificaram as possíveis fontes de fundo no experimento DUNE, eles tentaram criar estratégias para eliminar os fundos, como suas taxas são normalmente muito mais altas do que as taxas de sinal de neutrino. Eles criaram duas soluções distintas:uma que envolve envolver o detector com uma camada de plástico e a outra coletar dados por duas vezes mais para obter melhor sensibilidade.

"Para cada etapa do experimento, tivemos que cuidar de mais detalhes, "Disse Capozzi." Por exemplo, tivemos que tratar as interações do neutrino com cuidado com o detector, que será feito de argônio líquido. Na energia relevante para neutrinos solares, uma interação muito importante é com todo o núcleo de argônio, que depende de efeitos nucleares complicados. "

Antes de começarem a avaliar o potencial do DUNE como um detector para descobrir novas coisas sobre os neutrinos, os pesquisadores revisaram todas as pesquisas anteriores sobre este tópico, comparar os resultados obtidos usando diferentes técnicas experimentais e teóricas da física nuclear. Em última análise, eles selecionaram a técnica que consideraram mais apropriada e a implementaram usando computadores locais em sua universidade.

"Agora temos uma estrutura teórica que nos permite calcular a probabilidade de os neutrinos nascerem com um sabor sintonizado em um sabor diferente, "Disse Li." Isso depende da energia do neutrino e da distância de propagação, bem como seis parâmetros de oscilação. Queríamos medir o máximo de tipos de oscilação de neutrino que pudéssemos, por exemplo., neutrinos com qualquer um dos três sabores oscilando para outros sabores, a fim de obter as medições mais precisas dos seis parâmetros de oscilação, e o mais importante, para avaliar se o nosso quadro atual de oscilação de neutrino foi, na verdade, correto."

O experimento DUNE é projetado para estudar neutrinos especificamente medindo um fluxo de neutrinos de múon de alta energia oscilando para neutrinos de elétron atingindo um grande detector na mina subterrânea de Dakota do Sul. Isso poderia permitir aos pesquisadores medir dois parâmetros de oscilação que foram medidos em experimentos anteriores com maior precisão.

O detector usado no experimento DUNE é extremamente grande em comparação com outros detectores existentes. São 40 quilotons de argônio com os quais os neutrinos podem interagir, e detecta partículas por meio de uma tecnologia de câmara de projeção de tempo, permitindo a coleta de imagens 3-D para cada interação de neutrino.

"Uma pergunta natural é, O que mais esse detector incrível pode medir? ", disse Li." Foi assim que tivemos a ideia de medir os neutrinos solares com DUNE. A oscilação do neutrino solar é particularmente interessante. Até aqui, Os padrões de oscilação do neutrino solar e do neutrino do reator divergem ligeiramente. Isso pode ser devido a dois motivos:Ou há uma flutuação estatística improvável nos dados atuais, ou nossa compreensão teórica atual da oscilação de neutrino não está completa. A segunda possibilidade é extremamente emocionante. "

Outro experimento chamado JUNO, planejado para 2020, irá medir os neutrinos que saem de reatores nucleares. Neutrinos solares e neutrinos do reator são, em princípio, sensível aos mesmos parâmetros de oscilação. Portanto, se o referencial teórico proposto pelos pesquisadores estiver correto, os parâmetros identificados no experimento JUNO (ou seja, para neutrinos do reator) deve ser alinhado com aqueles reunidos no experimento DUNE (ou seja, para neutrinos solares).

Estudos anteriores encontraram discrepâncias entre os parâmetros de oscilação do reator e dos neutrinos solares, mas as medições mais precisas que devem ser coletadas nos experimentos JUNO e DUNE podem lançar alguma luz sobre essa discrepância. Isso poderia, por sua vez, levar à descoberta de novos fenômenos físicos.

Até aqui, tem havido algum ceticismo no mundo da física sobre a mina subterrânea DUNE ser um detector de neutrino solar eficaz, principalmente devido à grande quantidade de antecedentes esperados, o que pode afetar adversamente os resultados. Em seu estudo, Contudo, Capozzi, Li, Zhu e Beacom demonstraram que DUNE pode levar a medições líderes mundiais de neutrinos solares, ao mesmo tempo que possibilita as primeiras medições precisas de neutrinos solares 'hep'.

"Apesar do ceticismo, fomos capazes de mostrar que este fundo pode ser drasticamente reduzido aplicando alguns critérios de seleção ao que veremos no detector, "Disse Capozzi." O fundo esquerdo só vai dominar o sinal em baixas energias. A parte de alta energia ficará 'intocada, 'e estimamos que consistirá em 100, 000 neutrinos solares observados em cinco anos. "

Além de demonstrar o enorme potencial do DUNE, Capozzi Li, Zhu, e Beacom introduziu uma série de melhorias teóricas e experimentais viáveis ​​que poderiam melhorar o desempenho do detector DUNE. Essas melhorias também podem beneficiar o projeto como um todo, facilitando a investigação de outros fenômenos físicos.

Para responder a perguntas não respondidas, a próxima geração de detectores de neutrino precisará ser enorme e ter recursos de detecção avançados. Mesmo usando esses detectores, algumas das propriedades e características dos neutrinos provavelmente permanecerão um mistério, pois ainda existem inúmeros desafios técnicos a serem superados.

“Sem esta medição em DUNE, podemos nunca saber por que os neutrinos solares parecem se misturar de maneira diferente dos antineutrinos do reator, "Beacom disse." Não estamos dizendo que investigar isso será fácil, mas estamos dizendo que é importante. "

Os pesquisadores da Ohio State University agora planejam compartilhar os resultados de seus cálculos e simulações, bem como suas sugestões para melhorias com a comunidade astrofísica em geral. Eles esperam que isso desencadeie uma conversa e, em última análise, incentive mudanças que possam melhorar ainda mais o desempenho do detector DUNE antes que o experimento seja realizado.

"Estamos entusiasmados em ver que a colaboração da DUNE está examinando os detalhes de nossa análise, e esperamos ver essa análise realizada quando DUNE estiver online, "Li disse." No geral, é um momento verdadeiramente emocionante para estudar neutrinos, pois há tantas medições e testes interessantes que se pode fazer nesses experimentos. Ainda estou tentando fazer medições que não foram consideradas antes e estudar o que eles podem nos dizer sobre os neutrinos e a física além do modelo padrão. "

Um dos objetivos centrais da pesquisa futura da equipe será tirar o máximo proveito das observações coletadas na mina DUNE ou usar outros grandes detectores. Para fazer isso, a equipe planeja continuar investigando novas técnicas que podem tornar os detectores mais sensíveis a neutrinos produzidos a partir de fontes astrofísicas.

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