A colaboração do experimento de neutrino do reator Daya Bay - que fez uma medição precisa de uma propriedade importante do neutrino há oito anos, preparando o terreno para uma nova rodada de experimentos e descobertas sobre essas partículas difíceis de estudar - terminou a coleta de dados. Embora o experimento esteja encerrando formalmente, a colaboração continuará a analisar seu conjunto de dados completo para melhorar a precisão das descobertas com base em medições anteriores.

O experimento coletou dados suficientes nos primeiros 55 dias de operação para anunciar uma descoberta importante no início de março de 2012. Para comemorar esse sucesso e outros que se seguiram, a colaboração de Daya Bay e funcionários da agência científica participarão de uma cerimônia em 12 de dezembro, para marcar o fim das operações no site (veja detalhes do evento abaixo).

Parceria internacional permite o sucesso da experiência

Operando em um espaço subterrâneo cavernoso contendo uma série de grandes, detectores de partículas em forma de tambor imersos em grandes poças de água em Guangdong, China, o experimento foi construído por meio de um esforço internacional que apresentou uma parceria de igualdade inédita em um grande projeto de física entre os EUA e a China. O Instituto de Física de Altas Energias (IHEP) da Academia Chinesa de Ciências, com sede em Pequim, lidera o papel da China na colaboração, enquanto o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) e o Laboratório Nacional de Brookhaven (Brookhaven Lab) co-lideram a participação nos EUA.

"Estamos muito satisfeitos em ver o sucesso do experimento, que fez importantes descobertas científicas, "disse Yi-Fang Wang, um ex-porta-voz da colaboração de Daya Bay que agora é diretor do IHEP. "A colaboração é verdadeiramente internacional, e as lições que aprendemos aqui são inestimáveis. Estamos ansiosos para outras colaborações no futuro. "

O IHEP supervisionou a construção do local experimental e metade dos detectores da Baía Daya, com a colaboração dos EUA respondendo pela outra metade. Também houve contribuições significativas de cientistas e instituições em Taiwan e Hong Kong, e no Chile, a república Tcheca, e a Rússia.

"Este foi um experimento importante e tremendamente bem-sucedido, "disse Kam-Biu Luk, o porta-voz dos EUA para o experimento de Daya Bay e também cientista sênior do Berkeley Lab e professor de física da UC Berkeley. "As medições e descobertas de precisão em Daya Bay foram possíveis devido à excelente colaboração entre os EUA e a China e todos os nossos parceiros internacionais."

Os oito detectores de Daya Bay são projetados para captar sinais de luz dentro dos líquidos cintilantes que eles contêm. Esses sinais são gerados por interações com antineutrinos que fluem de seis reatores nas próximas usinas nucleares de Daya Bay e Ling Ao.

Os reatores nucleares produzem um grande número de antineutrinos por meio do processo de fissão nuclear, e eles fazem isso de uma forma precisamente controlada, o que torna os reatores um excelente lugar para conduzir experimentos de neutrinos e coletar medições de alta precisão.

Os antineutrinos são as antipartículas dos neutrinos - partículas subatômicas abundantes que passam pela maior parte da matéria ininterruptamente, portanto, são difíceis de detectar. Nas últimas sete décadas, os cientistas fizeram um grande progresso no projeto de detectores para captar os sinais evasivos dessas partículas "semelhantes a fantasmas".

"Os detectores de Daya Bay funcionam muito bem, superando nossas expectativas, "disse o cientista-chefe de Daya Bay dos EUA, Steve Kettell, do Brookhaven Lab." Este sucesso é fundamental para nossa descoberta. "

Em busca de teta 13

Localizado em três corredores subterrâneos dentro de uma milha dos seis reatores, o experimento de Daya Bay foi projetado para medir uma propriedade relacionada às transformações das partículas, ou oscilações, entre três tipos diferentes, conhecido como "sabores":elétron, muon, e tau. Daya Bay foi o primeiro experimento a medir com sucesso, com certeza, um "ângulo de mistura" chamado teta 13. Esse ângulo de mistura define a taxa na qual os neutrinos se transformam nos três sabores. Desde sua primeira medição em 2012, a precisão na medição theta 13 de Daya Bay aumentou seis vezes.

Para determinar teta 13, cientistas mediram quantos neutrinos de um sabor específico - neste caso, antineutrinos de elétrons - eram produzidos pelos reatores próximos. A partir desse número, eles puderam determinar quantos antineutrinos de elétrons eles deveriam esperar medir usando os grandes detectores da Baía de Daya. Então, eles compararam a estimativa com o real, número medido.

A medição theta 13, e dois outros ângulos de mistura medidos por experimentos anteriores, ajudam-nos a compreender o papel que os neutrinos desempenharam na evolução do nosso universo. Se os cientistas observarem uma diferença em certas propriedades dos neutrinos versus antineutrinos, poderia ajudar a nossa compreensão do excesso de matéria vs. antimatéria no universo.

Os cientistas de Daya Bay estão agora conduzindo uma análise dos dados de todos os nove anos de operações do experimento. Esta análise permitirá medições melhoradas das propriedades do neutrino, incluindo uma nova precisão em theta 13 que dificilmente será superada nas próximas décadas.

Bônus inesperado

"A produtividade científica de Daya Bay foi muito além da nossa imaginação, "disse o co-porta-voz de Daya Bay, Jun Cao, do IHEP. "Além de definir o valor de teta 13, uma característica surpreendente surgiu no espectro antineutrino do reator medido com os dados de alta qualidade de Daya Bay. "

Um excesso local de antineutrinos - cerca de 10% acima das expectativas teóricas com uma energia de cerca de 5 milhões de elétron-volts (5 MeV) - aparece claramente, muito além das incertezas. A origem dessa discrepância ainda não está clara e requer mais estudos.

Enquanto isso, a determinação do rendimento de antineutrino do experimento de Daya Bay também encontrou um provável suspeito para explicar a chamada "anomalia do antineutrino do reator" - medições de menos antineutrinos do que se esperava nos locais de muitos reatores nucleares diferentes. Embora uma possibilidade para essa anomalia fosse que alguns antineutrinos haviam se transformado em um hipotético quarto tipo de neutrino denominado neutrino estéril, Os pesquisadores de Daya Bay descobriram que provavelmente se devia à modelagem incompleta da taxa prevista de produção de antineutrino para um componente do combustível do reator nuclear.

Adicionalmente, equipes de cientistas de dois experimentos importantes que estudam as oscilações de neutrinos - o experimento Daya Bay e o experimento MINOS + no Laboratório Nacional de Aceleração de Fermi do DOE (Fermilab) - juntaram forças para produzir outra análise que descartou em grande parte qualquer possibilidade de neutrinos estéreis em seus dados.

Implicações das medições

"O ângulo de mistura teta 13, que muitos cientistas suspeitaram que seria zero, foi felizmente considerado muito maior do que antecipamos quando planejamos o experimento, "Luk disse, o que permitiu aos cientistas extrair com precisão a frequência de oscilação e confirmar a teoria da oscilação do neutrino. Isso é um bom presságio para outros experimentos de neutrinos ativos e futuros que tentarão medir a ordem das massas dos diferentes neutrinos, por exemplo.

Também poderia beneficiar experimentos que exploram a possível relevância dos neutrinos para o desequilíbrio matéria-antimatéria do universo. Os físicos acreditam que os neutrinos podem ter desempenhado um papel neste desequilíbrio ao quebrar uma lei da física fundamental conhecida como violação da paridade de carga (CP). Essa violação implica que uma partícula e sua antipartícula se comportam de maneira diferente.

A medição theta 13 de Daya Bay é a medição mais precisa até agora entre as três medições de ângulos de mistura relacionadas às oscilações de neutrinos. A colaboração de Daya Bay foi reconhecida pelo sucesso na medição precisa de theta 13 com o prêmio de destaque 2016 Breakthrough Prize in Fundamental Physics.

"Agora que sabemos que teta 13 não é zero, desenvolvemos novas maneiras de estudar o ordenamento da massa de neutrinos. Também nos permite pesquisar violação de CP em experimentos atuais e futuros, "Kettell disse.

Experimentos existentes em oscilação de neutrino, como T2K no Japão e NOvA no Fermilab, se beneficiar desta medição, ele notou, assim como o Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), um experimento de próxima geração que começará a coletar dados em breve na China, o projeto da Instalação de Neutrinos da Linha de Base Longa / Experimento de Neutrinos no subsolo profundo (LBNF / DUNE) em construção no Fermilab, e o próximo experimento Hyper-Kamiokande no Japão.