Duna do Fermilab enviará neutrinos a 800 milhas de distância para estudar partículas fantasmas

Os detectores de neutrinos do DUNE estarão localizados a 1,6 km abaixo da terra, em Dakota do Sul.
Matthew Kapost, Centro de Pesquisa Subterrânea de Sanford

  • Neutrinos são pequenas partículas que podem guardar segredos de alguns dos maiores mistérios do universo.
  • O Projecto DUNE espera aprender mais sobre estas “moléculas fantasmas” difíceis de estudar.
  • Para fazer isso, o projeto enviará neutrinos por aproximadamente 800 milhas entre Illinois e Dakota do Sul.

Há quase sete anos, equipes começaram a mover 800 mil toneladas de rocha de um local Antiga mina de ouro Perto de Lead, Dakota do Sul.

As três cavernas subterrâneas resultantes têm 150 metros de comprimento e são quase suficientes para acomodar um prédio de sete andares.

O projeto DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) deverá custar pelo menos US$ 3 bilhões e é liderado por cientistas do Departamento de Energia dos EUA. Fermilab.

No final das contas, cada caverna conterá 17.500 toneladas de argônio líquido para ajudar os físicos do Fermilab a detectar partículas indescritíveis conhecidas como neutrinos, também conhecidas como “partículas fantasmas”.

As escavações da caverna no Sanford Underground Research Facility, em Dakota do Sul, começaram em 2017.
Centro de pesquisa subterrânea de Sanford

Neutrinos são partículas subatômicas que estão ao seu redor e passam através de você, despercebidas. O sol os cria. As supernovas os produzem. Até as bananas produzem neutrinos.

“Se você levantar a mão, há 10 bilhões de neutrinos do Sol passando pela sua mão” a cada segundo, disse a física e porta-voz do DUNE, Mary Pichai, ao Business Insider.

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Os neutrinos são apelidados de partículas fantasmas porque não possuem carga elétrica e, portanto, raramente interagem com qualquer coisa com que entrem em contato.

Isto também os torna extremamente difíceis de estudar, mas os cientistas insistem porque os neutrinos podem conter a chave para desvendar os segredos do universo, desde o que aconteceu logo após o Big Bang até à observação do nascimento de um buraco negro.

Feixe de neutrinos entre Illinois e Dakota do Sul

Pesquisadores do Fermilab ICEBERG estão examinando a eletrônica fria que será usada no projeto DUNE.
Reidar Hahn/Fermilab

É difícil estudar uma partícula que não emita radiação e seja mais leve que um elétron. “As interações dos neutrinos são como agulhas num palheiro”, disse Pichai.

Os cientistas do Fermilab querem estudar os neutrinos com detalhes sem precedentes, como nunca antes, usando o DUNE.

É por isso que o DUNE terá o maior detector de neutrinos do seu tipo de sempre.

Depois de concluído, o experimento é projetado para começar com uma série de… Aceleradores de partículas No Fermilab, nos arredores de Chicago, Illinois.

Uma das cavernas que conterá os detectores do projeto DUNE.
Matthew Kapost, Centro de Pesquisa Subterrânea de Sanford

Os aceleradores irão primeiro disparar um feixe extremamente poderoso de neutrinos através de um detector no Fermilab. O feixe viajará então por 800 milhas subterrâneas até os detectores no Centro de Pesquisa Subterrânea de Sanford, em Dakota do Sul.

Ao longo do caminho, os neutrinos farão algo bastante estranho. Existem três tipos de neutrinos, e as partículas podem alternar entre eles, um fenômeno conhecido como oscilação. Um cientista do Fermilab comparou-o a um gato doméstico transformação Para uma onça e depois para um tigre antes de retornar à sua forma original.

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Acompanhar como os neutrinos mudam ao longo destas longas distâncias entre Illinois e Dakota do Sul ajudará os cientistas a compreender melhor estas oscilações, dando-lhes uma visão mais completa do que a atual experiência NOvA de 500 milhas do Fermilab entre Illinois e Minnesota.

O feixe de neutrinos do DUNE viajará do Fermilab através de 800 milhas da Terra até detectores remotos no Centro de Pesquisa subterrâneo de Sanford.
Fermilab Dion

Fazer tudo isso a um quilômetro e meio abaixo do solo protege as partículas minúsculas e oscilantes dos raios cósmicos energéticos que chovem na superfície da Terra a cada segundo e podem interferir nos dados.

Resolva os segredos do universo

Os cientistas esperam responder a três questões-chave com DUNE: porque é que o universo é feito de matéria e não de antimatéria, o que acontece quando uma estrela entra em colapso e os protões decaem?

“Imediatamente após o Big Bang, matéria e antimatéria foram criadas em quantidades aproximadamente iguais”, disse Pichai. Mas hoje, pelo que os cientistas sabem, o universo é composto quase inteiramente de matéria.

“Por que acabamos com um universo de matéria e não um universo de antimatéria?” ela adicionou.

O feixe DUNE foi projetado para criar neutrinos e antineutrinos, a versão da antimatéria. Observar as oscilações de cada tipo pode ajudar os cientistas a descobrir o que aconteceu com toda a antimatéria.

O projeto também está definido para a física das supernovas, disse Beshai.

O Sanford Research Facility está localizado no subsolo de uma antiga mina de ouro.
Stephen Kinney, Centro de Pesquisa Subterrânea de Sanford

Em 1987, os astrónomos testemunharam uma explosão de supernova brilhante a uma distância mais próxima do que qualquer outra explosão em cerca de 400 anos. Com os detectores disponíveis na época, eles só conseguiram detectar algumas dezenas de neutrinos.

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Há 40% de chance de outra estrela próxima explodir na próxima década, disse Pichai, e o Fermilab espera que pelo menos um de seus detectores em Dakota do Sul esteja pronto e funcionando a tempo.

Um protótipo de detector, parte do experimento ProtoDUNE, no CERN.
Preço Maximiliano/CERN

Um detector tão grande poderia capturar milhares de neutrinos e fornecer informações sobre como os buracos negros e as estrelas de nêutrons se formam.

Finalmente, os cientistas ainda não viram o decaimento dos prótons, mas a teoria prevê que isso acontecerá. Os prótons são pequenas partículas com carga positiva que fazem parte do núcleo de um átomo.

A observação do decaimento dos prótons teria implicações para a crença de Albert Einstein de que uma única teoria poderia unificar todas as forças da natureza.

Se os prótons decaíssem, levaria aproximadamente 10 bilhões de trilhões de trilhões de anos. Mas Pichai disse que os detectores de neutrinos podem procurar diferentes sinais de decaimento de prótons. “Teremos a oportunidade de vê-los, se estas grandes teorias unificadas forem verdadeiras.”

Um projeto ambicioso

Existem atualmente vários projetos de neutrinos em todo o mundo, incluindo o Complexo de Pesquisa do Acelerador de Prótons do Japão (J-PARC) e a Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN).

O que torna o DUNE único é o uso de argônio e a longa distância entre os detectores próximos e distantes.

Um detector de teste de neutrinos, ProtoDUNE, foi construído no CERN. Quatro dispositivos semelhantes serão eventualmente colocados no subsolo como parte do projeto DUNE.
Jim Schultz/Fermilab Dion

O projeto enfrentou alguns contratempos orçamentários e de cronograma, Científico Americano Relatado para 2022. Supõe-se que terá quatro detectores de argônio, mas começará com dois.

Pichai disse que o primeiro detector poderá estar operacional até o final de 2028, com o segundo detector no próximo ano. Esses elementos estarão prontos no caso de uma explosão de supernova, mas a parte do feixe não estará pronta até 2031.

No entanto, Pichai acredita que o projeto já alcançou uma das suas maiores conquistas, a colaboração de cerca de 1.400 pessoas de 36 países. “É uma grande ciência”, disse ela. “É também uma grande bandeira internacional.”

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