Com uma diretriz de buscar a física além do modelo padrão e estudar o comportamento das partículas mais elusivas do universo, o Programa de Neutrinos de Linha de Base Curta do Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA tem um prato cheio.

Composto por três detectores - o detector próximo de linha de base curta, MicroBooNE e ICARUS - o programa vai expandir as atividades de pesquisa de neutrinos internacionalmente aclamadas do Fermilab. Ao estudar as propriedades do neutrino com esses detectores, os cientistas aprenderão mais sobre o papel que essas minúsculas partículas desempenham no universo.

No campus do Fermilab, os três detectores ficarão escalonados ao longo de uma linha reta, cada um sondando um intenso feixe de neutrinos. SBND, em construção, estará mais próximo da fonte do feixe de neutrino, apenas 110 metros de distância da área onde os prótons se chocam com um alvo e criam um feixe de neutrinos do múon. MicroBooNE, que começou a coletar dados em 2015, fica a 360 metros do SBND, e ICARUS, que começará sua corrida de física neste outono, fica 130 metros além do MicroBooNE.

Juntos, esses detectores estudarão as oscilações de neutrinos com detalhes sem precedentes. Nesse processo, um único neutrino pode alternar entre os três tipos conhecidos de neutrino à medida que viaja pelo espaço. Se houver um quarto tipo de neutrino ou se os neutrinos se comportarem de maneira diferente do que a teoria atual prevê, os cientistas esperam encontrar evidências dessa nova física nos padrões de oscilação dos neutrinos observados pelos três detectores.

Quando completo, o detector do SBND ficará suspenso em uma câmara cheia de argônio líquido. Quando um neutrino entra na câmara e colide com um átomo de argônio, ele vai enviar um spray de partículas carregadas e luz, que o detector irá registrar. Esses sinais fornecerão aos cientistas informações para reconstruir uma imagem 3D precisa das trajetórias de todas as partículas que emergiram de uma colisão de neutrino-argônio.

"Você verá uma imagem que mostra muitos detalhes, e em uma escala tão pequena, "disse a cientista Anne Schukraft, coordenador técnico do projeto. "Se você comparar com os experimentos da geração anterior, realmente abre um novo mundo do que você pode aprender. "

Carregado

Em circuitos alimentados por bateria, elétrons fluem entre os terminais negativo e positivo. Em SBND, os elétrons produzidos após as colisões de neutrinos seguirão o campo elétrico criado dentro do detector:dois planos anódicos e um plano catódico com carga negativa. Este não é um circuito minúsculo, Contudo. Cada avião mede 5 por 4 metros, e o campo elétrico entre o cátodo e cada ânodo será de 500 volts por centímetro, com o cátodo conduzindo um colossal 100, 000 volts.

Os dois planos anódicos, cada um feito de fios delicados espaçados de 3 milímetros, irá cobrir duas paredes opostas do detector em forma de cubo. Eles coletarão os elétrons criados por partículas que emergem de colisões dentro do detector, enquanto os sensores de luz atrás deles registram os fótons, ou partículas de luz.

No meio do detector, um plano vertical coberto com uma folha refletiva atuará como o cátodo. A equipe de montagem baixou o avião catódico pesado para o lugar na estrutura de aço do detector no final de julho e espera instalar o primeiro avião catódico no início de outubro. Até a instalação, cada uma das camadas sensíveis à luz são mantidas em uma área limpa especial controlada.

Quando totalmente montado, o detector pesará mais de 100 toneladas e será preenchido com argônio mantido a 190 graus Celsius negativos. Todo o aparelho ficará em um criostato, feito de aço espesso e painéis de isolamento que mantêm tudo frio. Um complicado sistema de tubulação circulará e filtrará o argônio líquido para mantê-lo limpo.

Cientistas neutrinos, montar

Diferentes grupos em todo o mundo, principalmente com base nos Estados Unidos, o Reino Unido., Brasil e Suíça - construíram as peças do detector e as enviaram para o Fermilab. Mas o prédio parecido com um armazém onde a estrutura do detector está sendo montada não é o lar para sempre do detector.

Uma vez que os componentes estão situados na estrutura de aço, a equipe irá transportar o detector por vários quilômetros do local do Fermilab até o edifício SBND, onde as equipes estão construindo o criostato e onde o detector realmente coletará seus dados. A Schukraft estima que a SBND fará sua estreia de dados no início de 2023.

"A coisa boa sobre o SBND é que estamos construindo do zero, "disse Mônica Nunes, um pesquisador de pós-doutorado na Syracuse University. "Portanto, tudo o que estamos aprendendo sobre esse processo será realmente útil para a próxima geração de experimentos com neutrinos."

O SBND complementará o MicroBooNE e o ICARUS como o trio de sondas para a física além do Modelo Padrão. Em particular, pesquisadores estão procurando o neutrino estéril, um tipo de neutrino que não interage com a força fraca. Dois experimentos anteriores, o Detector de Neutrino Cintilador Líquido no Laboratório Nacional de Los Alamos e o MiniBooNE no Fermilab, descobriu anomalias que sugerem a existência dessas partículas indescritíveis. Medindo como os neutrinos oscilam e mudam de tipo, o Programa SBN visa confirmar ou contestar essas anomalias e adicionar mais evidências a favor ou contra a existência de neutrinos estéreis.

"A ideia é montar um detector bem próximo à fonte de neutrinos na esperança de capturar esse tipo de neutrino, "disse Roberto Acciarri, co-gerente da montagem do detector. "Então, temos um detector distante e um no meio, para ver se podemos ver neutrinos estéreis quando são produzidos e quando estão oscilando. "

Os pesquisadores da SBND também examinarão com alta precisão como os neutrinos interagem com os átomos de argônio que preenchem o detector. Porque SBND fica tão perto da origem do feixe de neutrino, ele vai registrar mais de um milhão de interações neutrino-argônio por ano. A física dessas interações é um elemento importante de futuros experimentos de neutrinos que empregarão detectores de argônio líquido, como o Deep Underground Neutrino Experiment.

"É ótimo ver o progresso quase diariamente, "disse Schukraft." Estamos todos esperando ansiosamente para ver este experimento começar a coletar dados. "