Neutrinos e antineutrinos são partículas quase sem massa produzidas em muitas reações nucleares, incluindo a fissão do urânio em usinas nucleares na Terra e as reações de fusão no núcleo do Sol.



Mas são terrivelmente difíceis de detectar – a maioria passa pela Terra sem parar – o que torna difícil estudar as reacções nucleares que ocorrem no núcleo das estrelas ou em explosões estelares ou monitorizar centrais nucleares em busca de produção ilícita de material para bombas.

Um novo tipo de detector de neutrinos que está sendo testado em um vasto laboratório subterrâneo na Universidade da Califórnia, Berkeley, foi projetado para aproveitar as tecnologias mais recentes para aumentar a sensibilidade e as capacidades dos detectores de antineutrinos. Esses detectores melhorados não só ajudariam a detectar, localizar e caracterizar material nuclear especial não declarado, utilizado contrariamente às regulamentações federais ou internacionais, mas também ajudariam os cientistas a explorar a física fundamental das partículas e as suas interacções nas profundezas do núcleo do átomo.

Chamado de Eos, em homenagem à deusa Titã do amanhecer, o aparelho sinaliza “o amanhecer de uma nova era na tecnologia de detecção de neutrinos”, de acordo com Gabriel Orebi Gann, professor associado de física da UC Berkeley e líder da colaboração Eos.

O detector protótipo pode detectar e caracterizar atividades e materiais nucleares remotamente, ou seja, a distâncias superiores a cerca de 100 metros. Embora a radioatividade do material nuclear possa ser protegida da detecção, os antineutrinos produzidos nas reações de fissão não podem. Como bilhões são produzidos em um reator a cada nanossegundo, o Eos deverá ser capaz de detectar antineutrinos suficientes para identificar a produção clandestina de material adequado para bombas.

"A ideia da detecção de neutrinos é que você não pode falsificá-lo, não pode protegê-lo, não pode falsificá-lo. Os neutrinos viajam quase à velocidade da luz, por isso fornecem detecção quase instantânea, mesmo à distância. Eles oferecem uma assinatura única da atividade nuclear", disse Orebi Gann, que também é cientista docente do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab).

"Se você estiver muito longe ou tiver uma assinatura muito fraca, precisará de um detector grande. E para um detector grande, você precisará de líquido."

Eos é um cilindro de 10 metros de altura e 5 metros de largura cheio de água e um cintilador orgânico e rodeado por detectores de luz três vezes mais sensíveis do que os usados ​​hoje em experimentos de física. A sensibilidade aprimorada e a resolução mais alta do Eos vêm da combinação de duas das melhores técnicas atuais para detecção de neutrinos:cintilação e emissão de Cherenkov.

As melhorias podem mudar o jogo para futuros projetos de física de neutrinos, como o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), que está sendo construído agora em uma mina de ouro abandonada em Lead, Dakota do Sul, para detectar neutrinos emitidos por um acelerador de partículas no Laboratório Nacional Fermi. , a 500 milhas de distância, em Illinois. UC Berkeley e Berkeley Lab são membros da colaboração DUNE.

“O que gostaríamos de construir é um detector muito maior chamado Theia”, disse ela. "Theia é a deusa Titã da luz e mãe de Eos no panteão dos deuses. O local ideal para Theia é naquela mina em Dakota do Sul, vendo aqueles neutrinos do Fermilab."

Resta saber se Theia - que empregaria um tanque grande o suficiente para quase engolir a Estátua da Liberdade - substituirá um dos quatro detectores "distantes" de argônio líquido planejados pelo DUNE.

Orebi Gann argumenta que um detector híbrido como o Theia, embora forneça sensibilidade comparável para estudar o feixe de neutrinos de alta energia que é o alvo principal do DUNE, acrescentaria novas capacidades além de um detector de argônio, incluindo a capacidade de detectar antineutrinos. Theia também teria uma precisão de 2 graus para a localização de uma supernova através da explosão de neutrinos e teria a capacidade de procurar neutrinos solares de baixa energia e neutrinos de Majorana.

Um detector híbrido de neutrinos

O Eos é o único que é um híbrido dos dois principais tipos de detectores de neutrinos líquidos, ambos começando com um tanque de líquido.

Uma técnica é baseada em um cintilador – neste caso, alquilbenzeno linear – que emite luz em resposta às partículas carregadas produzidas durante as interações com um neutrino ou antineutrino.

Neutrinos e antineutrinos também podem interagir com outros materiais, como a água, para produzir um elétron, que então emite sua própria luz, embora muito mais fraca que a luz de cintilação. Esta última é chamada de radiação Cherenkov e é emitida quando o elétron atravessa o líquido mais rápido que a velocidade da luz no líquido, semelhante à energia acústica de um estrondo sônico produzido por um avião viajando mais rápido que a velocidade do som.

Em ambas as técnicas, detectores de luz sensíveis, chamados tubos fotomultiplicadores, são dispostos ao redor do tanque para registrar a intensidade da luz fraca. A intensidade da cintilação fornece informações sobre a energia do neutrino ou antineutrino.

A radiação Cherenkov, no entanto, é emitida num cone, por isso pode fornecer informações sobre a direção de onde veio o neutrino, uma informação crítica para o estudo de fontes de reatores nucleares, bem como fontes de neutrinos cósmicos.

"Os tubos fotomultiplicadores são sensíveis aos níveis de luz de um único fóton", disse Orebi Gann. "Mas um cintilador líquido fornece muito mais luz:se você tiver um elétron com a mesma energia, obterá 50 vezes mais luz, dependendo do cintilador, do que a partir da emissão de Cherenkov. Isso significa que você obtém melhor precisão para entender onde a energia foi depositada e quanta energia havia."

"Dissemos:OK, não queremos escolher. Não gostamos de compromisso. Queremos ambos. E esse é o objetivo aqui. Queremos a topologia da luz de Cherenkov, mas a resolução da cintilação", disse ela. .

O problema é que a luz da cintilação é tão brilhante que supera a luz de Cherenkov.

Felizmente, a luz de Cherenkov sai em uma explosão de picossegundos, enquanto a luz cintilante dura nanossegundos.

“Se você tiver detectores de fótons muito rápidos, poderá usar a diferença de tempo para ajudar a separar essas duas assinaturas”, disse ela. O Eos cercará o tanque de líquido com 242 tubos fotomultiplicadores fabricados pela empresa japonesa Hamamatsu, três vezes mais rápidos que os fotomultiplicadores atuais.

A região visível da luz de Cherenkov tem um espectro de cores mais vermelho do que a luz de cintilação, que é principalmente azul. A equipe tira vantagem disso cercando a primeira fila de fotomultiplicadores com um filtro "dicróico" que reflete a luz vermelha de Cherenkov no fotomultiplicador, mas permite que a luz cintilante azul passe para os fotomultiplicadores na parte de trás.

“Você basicamente classifica seus fótons por comprimento de onda e os direciona para diferentes detectores de fótons com base no comprimento de onda”, disse ela.

Orebi Gann e sua equipe começaram a montar o Eos em setembro, atrasado seis semanas pela destruição do primeiro tanque de aço, quando o caminhão que o transportava colidiu com um viaduto. Os tanques são tão grandes que os pesquisadores tiveram que abrigar o experimento em um grande laboratório subterrâneo – anteriormente ocupado por um reator nuclear – operado pelo Departamento de Engenharia Nuclear da UC Berkeley.

Eles cercaram o tanque de acrílico com os tubos fotomultiplicadores e, em seguida, levantaram todo o conjunto em um tanque cilíndrico de aço. O tanque interno de acrílico e o vão entre os tanques de acrílico e aço foram então preenchidos com água pura, submergindo os tubos fotomultiplicadores no vão.

Assim que a equipe testar a capacidade do Eos de detectar luz Cherenkov de fontes radioativas artificiais e múons cósmicos naturais, eles irão gradualmente adicionar material cintilador para testar a capacidade do experimento de discriminar entre os dois tipos de emissões de luz.

“Também projetamos nosso detector para que possamos implantar um cintilador líquido puro”, disse Orebi Gann. "Este seria o teste final:se ainda podemos ver a assinatura de Cherenkov mesmo com o componente de cintilação máxima."

Os planos exigem explorar até que ponto o Eos pode monitorar pequenos reatores modulares e embarcações marítimas movidas a energia nuclear e verificar a transparência do local de teste.

Orebi Gann também está ansioso para empregar o projeto do Eos em estudos gerais de física de neutrinos, como medir o fluxo de neutrinos do núcleo do Sol para verificar as reações nucleares previstas que o alimentam; investigações de fontes terrestres de neutrinos; mapear o fundo difuso de neutrinos de supernovas na Via Láctea e além; e a busca contínua por decaimento beta duplo sem neutrinos, o que indicaria que um neutrino é sua própria antipartícula.

Todas estas questões já estão a ser exploradas com o cintilador ou com os detectores Cherenkov, mas Orebi Gann espera que um detector híbrido acelere o progresso.

“Poderíamos fazer melhor o mesmo tipo de física que cada um desses detectores fez no passado”, disse ela. "Esse é o objetivo. É P&D para a próxima geração."

Fornecido pela Universidade da Califórnia - Berkeley