Um século atrás, os físicos não sabiam da existência de neutrinos, o mais abundante, partículas subatômicas elusivas e etéreas de matéria no universo.

Embora sejam abundantes, cada neutrino individual quase não tem massa. No entanto, "eles moldam muitos aspectos do universo como o conhecemos, "disse Hirohisa Tanaka, professor de física de partículas e astrofísica na Universidade de Stanford e no SLAC National Accelerator Laboratory.

É por isso que Tanaka e mais de 1, Outros 000 pesquisadores de mais de 30 nações estão engajados no Deep Underground Neutrino Experiment, ou DUNE, hospedado pelo Laboratório Nacional do Acelerador Fermi do Departamento de Energia.

"Bilhões de neutrinos podem atravessar você sem que você perceba, então são muito difíceis de encontrar e estudar, "disse Alfons Weber, professor de física da Universidade de Oxford.

Os neutrinos vêm em três tipos que se transformam de um em outro:elétron, muon e tau, e cada um tem um primo antimatéria. O DUNE usará dois detectores de partículas separados por 800 milhas (1, 300 quilômetros) para medir como os neutrinos se transformam, ou oscilar, enquanto viajam pelo espaço, matéria e tempo. O DUNE perto do detector, localizado no Fermilab fora de Chicago, irá medir os neutrinos e como eles interagem antes de oscilar. O detector DUNE distante, a ser localizado no Sanford Underground Research Facility, em Dakota do Sul, irá observá-los após a oscilação.

O projeto é ambicioso em seu escopo internacional e objetivos científicos. Pode fornecer uma nova visão sobre a mistura desequilibrada de matéria e antimatéria, o fenômeno que possibilitou a formação da matéria no universo. Uma descoberta tão importante exigirá que os dois detectores trabalhem em conjunto.

"Por causa da oscilação, a metodologia é medir o feixe de neutrinos no site próximo e, em seguida, no site remoto e comparar os dois comportamentos, "disse Luca Stanco, do Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália, frequentemente referido por sua sigla italiana, INFN. “É fundamental ter sob controle todas as características do feixe de neutrinos do detector próximo, de onde vem o feixe. "

Hirohisa Tanaka, Alfons Weber, Luca Stanco, Michele Weber, da Universidade de Berna, e Alan Bross e Jennifer Raaf, do Fermilab, desempenham papéis-chave no desenvolvimento dos componentes bloqueadores de neutrinos do detector DUNE próximo.

Três sistemas de subdetectores

Com base nas lições aprendidas com experimentos anteriores, os designs dos detectores tornaram-se mais sofisticados. O DUNE perto do detector, a ser instalado a cerca de 600 metros de onde são produzidos os neutrinos nos aceleradores do Fermilab, consistirá em três subdetectores que ficarão lado a lado.

Um dos subdetectores, conhecido como SAND, com seus 15, 000 quilômetros (9, 320 milhas) de fibras cintiladoras e seus 5, 000 fotomultiplicadores, detectará neutrinos com um calorímetro eletrônico, que mede a energia das partículas, e um rastreador, que registra os momentos e a carga das partículas. Um segundo subdetetor, com base na tecnologia ArgonCube desenvolvida na Universidade de Bern, na Suíça, usará argônio líquido para imitar as interações de neutrino no detector distante, e o terceiro usará argônio gasoso. Trabalhando juntos, eles medem as partículas com mais precisão do que outros detectores de neutrino são capazes de alcançar.

"É um sistema muito complicado, "disse Stanco, que lidera o grupo de trabalho em SAND.

SAND ficará diretamente no caminho do feixe de neutrino para medir sua estabilidade e composição. Os dois detectores baseados em argônio, Enquanto isso, será móvel, capaz de sentar-se diretamente no caminho do feixe ou ser inclinado para um lado. Os diferentes ângulos de visão permitirão a esses detectores medir como as interações dos neutrinos mudam conforme as energias das partículas mudam.

O subdetector de argônio líquido funcionará da mesma maneira que o detector distante muito maior do DUNE:quando os neutrinos interagem com o argônio líquido, a interação criará partículas carregadas que serão detectadas por componentes eletrônicos que amplificam, digitalize e envie sinais para um computador onde as informações contidas nos sinais podem ser reconstruídas.

Várias gerações anteriores de experimentos com neutrinos levaram a uma evolução no design do detector de neutrino. Quando os detectores para esses experimentos anteriores foram projetados, "Não tínhamos ideia de como entendíamos mal como os neutrinos interagem e todos os diferentes efeitos que precisamos estudar para fazer uma medição robusta, "disse Alfons Weber.

Os detectores de argônio líquido precisam de massas de muitos quilotons para aumentar suas chances de observar as interações dos neutrinos.

"Sempre falamos sobre neutrinos elusivos e difíceis de detectar, "disse Tanaka, cuja equipe SLAC fornecerá os principais componentes do subdetetor de argônio líquido. "Você vê apenas alguns deles e muito raramente."

O oposto se aplica ao detector próximo. Lá, "o feixe de neutrino que estamos produzindo é tão intenso que no subdetetor de argônio líquido veremos algo como 50 interações em milionésimos de segundo, " ele disse.

O desafio assim criado é identificar neutrinos individuais, suas energias e seus tipos a uma taxa que corresponde à inundação de neutrinos que o detector próximo verá.

Para capturar esses dados, o subdetetor líquido-argônio consistirá em uma matriz de 35 módulos menores funcionando de forma quase independente. Cada módulo da matriz terá uma massa de cerca de três toneladas. Quando a alta tensão é aplicada ao volume de argônio líquido, os elétrons passivos nos átomos de argônio são liberados e começam a se mover em direção a uma série de elementos de detecção.

O argônio líquido - resfriado a esse estado a partir de sua forma gasosa - é tão denso que as partículas de menor energia escapam de sua detecção. Para capturar essas partículas escapadas, o subdetetor argônio-gás fica ao lado de sua contraparte argônio líquido. Muito menos interações de neutrino acontecerão no gás argônio por causa de sua densidade mais baixa.

"Você pode medir outras coisas no subdetetor argônio-gás que não pode ser medido no subdetetor argônio líquido, ", Disse Weber. Isso inclui medir os efeitos das interações dos neutrinos nos núcleos de argônio, um processo que cria incerteza nas medições de oscilação de neutrino.

Procure por novas partículas

Os três subdetectores trabalhando em combinação possibilitarão aos físicos procurar fenômenos que vão além dos limites das leis físicas conhecidas. Como o acelerador de partículas do Injetor Principal do Fermilab gera neutrinos que passam pelo DUNE próximo ao detector, "outras partículas podem ser produzidas também, partículas sobre as quais não sabemos nada ainda, "Disse Weber." Outras partículas também podem ser produzidas, partículas sobre as quais ainda não sabemos nada. "

Neutrinos pesados ​​e fótons escuros se enquadram nesta categoria. A existência de neutrinos pesados ​​poderia explicar o fato desconcertante de que os neutrinos conhecidos têm uma massa minúscula, e sua descoberta pode ajudar a explicar a natureza da matéria escura. Os fótons escuros seriam os primos invisíveis dos fótons regulares, que são partículas eletromagnéticas. A detecção de fótons escuros - se eles existirem - poderia iluminar o setor escuro expansivo, mas atualmente invisível, do universo.

E então há o inesperado.

“Acho e espero que tenhamos uma surpresa no resultado da física, "Stanco disse.