Vova Krasen
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O estudo do mundo subatômico revolucionou nossa compreensão das leis do universo e deu à humanidade percepções sem precedentes sobre questões profundas. Historicamente, essas questões estão no campo filosófico: como o universo passou a existir? Por que o universo é do jeito que é? Por que existe algo, em vez de nada?
Bem, mude a filosofia, porque a ciência deu um passo crucial na construção do equipamento que nos ajudará a responder a perguntas como essas. E envolve atirar partículas fantasmagóricas chamadas neutrinos literalmente através da Terra a uma distância de 800 milhas (quase 1.300 quilômetros) de um laboratório de física para outro.
Um grupo internacional de físicos anunciou que viu os primeiros sinais em um detector em forma de cubo chamado ProtoDUNE. Este é um grande passo para o experimento DUNE, que será o principal programa de pesquisa em física de partículas da América nas próximas duas décadas. O ProtoDUNE, que tem o tamanho de uma casa de três andares, é um protótipo dos detectores muito maiores que serão usados no experimento DUNE e o anúncio de hoje (18 de setembro) demonstra que a tecnologia selecionada funciona. [Os 18 maiores mistérios não resolvidos da física]
Os detectores DUNE estarão localizados no Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), nos arredores de Chicago, e no Sanford Underground Research Facility (SURF), em Lead, Dakota do Sul. Quando o experimento estiver funcionando, um poderoso acelerador de partículas do Fermilab fará um intenso feixe de partículas subatômicas chamadas neutrinos, atirando-as literalmente através da Terra, para serem detectadas no SURF.
Os neutrinos são os fantasmas do mundo subatômico, capazes de passar por todo o planeta quase sem interação. Os neutrinos surpreenderam os cientistas muitas vezes no passado. De sua capacidade sem precedentes de passar pela matéria sem interagir, ao fato de tratarem matéria e antimatéria de maneira muito diferente, à capacidade de se transformar de uma versão em outra, os neutrinos continuam a fascinar a comunidade científica mundial. São essas duas últimas propriedades que o experimento DUNE investigará.
A antimatéria é algo que parece ficção científica, mas é certamente real. A antimatéria é o oposto da matéria; Junte matéria e antimatéria e elas se aniquilarão em energia pura. A antimatéria foi proposta em 1928 e observada pela primeira vez em 1931. Nas décadas que se seguiram, os cientistas (inclusive eu) a estudaram em detalhes excruciantes. Geralmente é compreendido, com um mistério remanescente muito incômodo. Quando convertemos energia em antimatéria, fazemos uma quantidade idêntica de matéria. Esta é uma ciência bem estabelecida. Esse não é o problema.
O problema é que, se combinarmos essa observação com a ideia do Big Bang, algo não se encaixará. Afinal, logo após o Big Bang, o universo estava cheio de energia, que deveria ter se transformado em matéria e antimatéria igualmente. No entanto, nosso universo é feito inteiramente de matéria. Então, para onde foi essa antimatéria? Esta pergunta não foi respondida; mas talvez um estudo cuidadoso dos neutrinos de matéria e antimatéria possa revelar uma diferença. [Big Bang para Civilization 10 Amazing Origin Events]
Como outras partículas subatômicas, os neutrinos e os neutrinos da antimatéria, chamados antineutrinos, possuem uma quantidade chamada spin, que tem uma passagem, embora imperfeita, semelhante a pequenas bolas giratórias. Neutrinos e antineutrinos giram em direções opostas. Se você disparar um feixe de neutrinos de forma que ele esteja vindo em sua direção, poderá observar o eixo de rotação dos neutrinos; você os veria girando no sentido horário, enquanto os antineutrinos girariam na direção oposta. Como o spin dos neutrinos e antineutrinos é o oposto, isso identifica uma diferença entre os dois. Talvez essa diferença seja um sinal de que estudar a matéria e os análogos da antimatéria dos neutrinos lançará alguma luz sobre este mistério.
Existe outra propriedade dos neutrinos que os torna interessantes no enigma da falta de antimatéria ... eles podem se transformar de uma identidade para outra. Os cientistas encontraram três tipos distintos de neutrinos. Um tipo está associado aos elétrons e é chamado de neutrinos de elétrons. As duas outras estão associadas a duas outras partículas subatômicas chamadas múon e tau, que são primas pesadas do elétron.
Se você começar com um monte de neutrinos de elétrons e depois olhar para eles um pouco mais tarde, verá que há menos neutrinos de elétrons do que no início, mas há neutrinos de múon e tau suficientes para compensar o déficit. Os neutrinos não estão decaindo; eles estão se transformando um no outro.
É como se você tivesse uma sala cheia de 100 cachorros e, olhando depois, eram 80 cachorros, 17 gatos e três papagaios. Se você olhasse ainda mais tarde, a mistura seria ainda diferente.
A transformação dos neutrinos, que os cientistas chamam de oscilação, também é uma física bem estabelecida. Os pesquisadores suspeitam disso desde 1960; eles tinham quase certeza de que era real em 1998 e firmaram a discussão em 2001. A oscilação de neutrinos ocorre e sua descoberta recebeu o Prêmio Nobel de Física de 2015.
O experimento DUNE tem vários objetivos de pesquisa, mas talvez o mais urgente seja primeiro medir a oscilação dos neutrinos e, em seguida, a oscilação dos antineutrinos. Se forem diferentes, pode ser que a compreensão desse processo com mais detalhes nos ajude a entender por que o universo é feito exclusivamente de matéria. Em suma, pode explicar porque existimos.
O experimento DUNE consistirá em dois complexos de detectores, um menor no Fermilab e quatro maiores localizados no SURF. Um feixe de neutrinos deixará o Fermilab e se dirigirá aos detectores distantes. As proporções dos diferentes tipos de neutrinos serão medidas nos detectores do Fermilab e do SURF. As diferenças causadas pela oscilação dos neutrinos serão medidas, e então o processo será repetido para os antineutrinos..
A tecnologia que será usada nos experimentos do DUNE envolve grandes cubas de argônio líquido, nas quais os neutrinos vão interagir e ser detectados. Cada um dos detectores maiores localizados no SURF será tão alto e largo quanto um prédio de quatro andares e mais longo que um campo de futebol. Cada um conterá 17.000 toneladas de argônio líquido.
O detector ProtoDUNE é um protótipo muito menor, consistindo de apenas 800 toneladas de argônio líquido. O volume é grande o suficiente para abranger uma pequena casa. A colaboração dos cientistas da DUNE é mundial, atraindo pesquisadores de todo o mundo. Embora o Fermilab seja o laboratório anfitrião, outros laboratórios internacionais também estão envolvidos. Uma dessas instalações é o CERN, o laboratório europeu de física de partículas, localizado nos arredores de Genebra, na Suíça. O detector ProtoDUNE está localizado no CERN, consolidando ainda mais uma longa relação entre os laboratórios - por exemplo, o Fermilab há muito está envolvido em pesquisas usando dados registrados pelo CERN Large Hadron Collider. DUNE é o primeiro investimento do CERN em um experimento sendo conduzido em um laboratório nos Estados Unidos.
O anúncio de hoje é importante, provando que a tecnologia de argônio líquido que formará o coração do experimento DUNE foi uma boa escolha. Um segundo detector ProtoDUNE estará online em alguns meses. A segunda versão usa uma tecnologia ligeiramente diferente para observar as trilhas de partículas causadas por raras interações de neutrinos. Os resultados dos testes desses dois detectores guiarão os cientistas a uma decisão sobre o projeto final dos componentes do detector. O DUNE será construído na próxima década e os primeiros módulos detectores estão programados para entrar em operação em 2026.
Don Lincoln é pesquisador de física do Fermilab. Ele é o autor de "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014) e produz uma série de vídeos de educação científica. Siga-o no Facebook. As opiniões expressas neste comentário são dele.
Don Lincoln contribuiu com este artigo para Expert Voices: Op-Ed & Insights.