Os neutrinos são uma das partículas fundamentais que compõem o universo. Comparados a outros tipos de partículas, eles têm muito pouca massa, sem carga, e só interagem com outras pessoas através da fraca força e gravidade nuclear. Como tal, encontrar evidências de interações herdeiras é extremamente difícil, exigindo instrumentos massivos localizados no subsolo para protegê-los de qualquer interferência.
No entanto, usando a Fonte de Nêutrons Spallation (SNS), uma instalação de pesquisa localizada no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) - uma equipe internacional de pesquisadores recentemente fez uma descoberta histórica sobre os neutrinos usando um método totalmente diferente. Como parte do experimento COHERENT, esses resultados confirmam uma previsão feita há 43 anos e oferecem novas possibilidades para a pesquisa de neutrinos.
O estudo que detalha suas descobertas, intitulado "Observação da dispersão elástica coerente de nêutrons e núcleos", foi publicado recentemente na revista Ciência. A pesquisa foi conduzida como parte do experimento COHERENT, uma colaboração de 80 pesquisadores de 19 instituições de mais 4 países que pesquisam o que é conhecido como espalhamento coerente de nêutrons e núcleos de nêutrons elásticos (CEvNS) há mais de um ano.
Ao encontrar evidências desse comportamento, a COHERENT fez essencialmente história. Como Jason Newby, físico do ORNL e coordenador técnico da COHERENT, disse em comunicado à imprensa do ORNL:
"O experimento único de física de partículas no Laboratório Nacional de Oak Ridge foi o primeiro a medir a dispersão coerente de neutrinos de baixa energia dos núcleos".
Para resumir tudo, o Modelo Padrão da física de partículas indica que os neutrinos são leptons, uma partícula que interage com outras matérias muito fracamente. Eles são criados através do decaimento radioativo, das reações nucleares que alimentam as estrelas e das supernovas. O modelo de cosmologia do Big Bang também prevê que os neutrinos são as partículas mais abundantes existentes, uma vez que são um subproduto da criação do Universo.
Como tal, seu estudo tem sido um importante ponto focal para físicos teóricos e cosmólogos. Em estudos anteriores, as interações de neutrinos foram detectadas usando literalmente toneladas de material-alvo e examinando as transformações de partículas que resultaram dos neutrinos atingindo-os.
Exemplos incluem o Observatório Super-Kamiokande no Japão, uma instalação subterrânea onde o material alvo é de 50.000 toneladas de água ultrapura. No caso do Sudbury Neutrino Observatory da SNOLAB - localizado em um antigo complexo de minas perto de Sudbury, Ontário - o detector de neutrinos SNO conta com água pesada para a detecção de neutrinos, enquanto o experimento SNO + usa um cintilador líquido.
E o IceCube Neutrino Observatory - o maior detector de neutrinos do mundo, localizado na Estação Pólo Sul Amundsen-Scott na Antártica - conta com gelo antártico para detectar interações de neutrinos. Em todos os casos, as instalações são extremamente isoladas e contam com um equipamento muito caro.
O experimento COHERENT, no entanto, é imensamente menor e mais econômico em comparação, pesando apenas 14,5 kg (32 libras) e ocupando muito menos espaço. O experimento foi criado para aproveitar o sistema existente baseado no acelerador SNS, que produz os feixes de nêutrons pulsados mais intensos do mundo, a fim de esmagar átomos de mercúrio com feixes de prótons.
Este processo cria grandes quantidades de nêutrons que são usados para várias experiências científicas. No entanto, o processo também cria uma quantidade significativa de neutrinos como subproduto. Para tirar proveito disso, a equipe COHERENT começou a desenvolver um experimento de neutrinos conhecido como "beco de neutrinos". Localizadas em um corredor do porão, a apenas 20 metros (45 pés) do tanque de mercúrio, as grossas paredes de concreto e cascalho fornecem proteção natural.
O corredor também é equipado com grandes tanques de água para bloquear neutrinos adicionais, raios cósmicos e outras partículas. Mas, diferentemente de outras experiências, os detectores COHERENT procuram sinais de neutrinos colidindo com os núcleos de outros átomos. Para fazer isso, a equipe equipou o corredor com detectores que dependem de um cristal cintilador de iodeto de césio, que também usa o ódio para aumentar a proeminência dos sinais de luz causados por interações de neutrinos.
Juan Collar, físico da Universidade de Chicago, liderou a equipe de design que criou o detector usado no SNS. Como ele explicou, essa era uma abordagem "de volta ao básico" que eliminava os detectores mais caros e maciços:
“Eles são sem dúvida o tipo de detector de radiação mais disponível para pedestres, já existe há um século. O iodeto de césio dopado com sódio mescla todas as propriedades necessárias para funcionar como um pequeno detector de neutrinos coerente 'portátil'. Muitas vezes, menos é mais. ”
Graças ao experimento e à sofisticação do SNS, os pesquisadores conseguiram determinar que os neutrinos são capazes de se acoplar a quarks por meio da troca de bósons Z neutros. Esse processo, conhecido como Dispersão Elástica de Nêutrons e Núcleos Elásticos (CEvNS), foi previsto pela primeira vez em 1973. Mas até agora, nenhum experimento ou equipe de pesquisa conseguiu confirmá-lo.
Como Jason Newby indicou, o experimento teve sucesso em grande parte graças à sofisticação das instalações existentes. "A energia dos neutrinos do SNS é quase perfeitamente sintonizada para esse experimento - grande o suficiente para criar um sinal detectável, mas pequena o suficiente para tirar proveito da condição de coerência", disse ele. "A única arma de fumaça da interação é uma pequena quantidade de energia transmitida a um único núcleo".
Os dados produzidos também foram mais limpos do que em experimentos anteriores, uma vez que os neutrinos (como o feixe de nêutrons do SNS que os produzia) também eram pulsados. Isso permitiu a fácil separação do sinal dos sinais de fundo, o que ofereceu uma vantagem sobre as fontes de neutrinos no estado estacionário - como as que são produzidas por reatores nucleares.
A equipe também detectou três "sabores" de neutrinos, que incluíam múon neutrinos, múon antineutrinos e elétron neutrinos. Enquanto os neutrinos do múon emergiram instantaneamente, os outros foram detectados alguns microssegundos depois. A partir disso, a equipe COHERENT não apenas validou a teoria do CEvNS, mas também o Modelo Padrão da física de partículas. Suas descobertas também têm implicações para a astrofísica e a cosmologia.
Como explicou Kate Scholberg, física da Duke University e porta-voz da COHERENT:
“Quando uma estrela massiva entra em colapso e depois explode, os neutrinos despejam uma vasta energia no envelope estelar. A compreensão do processo contribui para a compreensão de como esses eventos dramáticos ocorrem ... Os dados da COHERENT ajudarão na interpretação das medições das propriedades dos neutrinos por experimentos em todo o mundo. Também podemos usar dispersão coerente para entender melhor a estrutura do núcleo. ”
Embora não haja necessidade de confirmação adicional de seus resultados, os pesquisadores do COHERENT planejam realizar medições adicionais para observar interações coerentes de neutrinos a taxas distintas (outra assinatura do processo). A partir disso, eles esperam expandir seus conhecimentos sobre a natureza do CEvNS, bem como outras propriedades básicas de neutrinos - como seu magnetismo intrínseco.
Essa descoberta certamente foi impressionante por si só, uma vez que valida um aspecto do Modelo Padrão da física de partículas e da cosmologia do Big Bang. Mas o fato de o método oferecer resultados mais limpos e depender de instrumentos significativamente menores e mais baratos que outros experimentos - isso é impressionante!
As implicações desta pesquisa certamente serão abrangentes, e será interessante ver que outras descobertas ela possibilitará no futuro!
