Um laboratório chinês começa a enfrentar um mistério gigante na física de partículas

UMt o pé Do densamente arborizado Dashi Hill, na província de Guangdong, no sul da China, os visitantes pré-aprovados podem dar um passeio a bordo de um trem amarelo único. Em vez de enrolar a paisagem serena, no entanto, o trem desce ao longo de uma pista acentuada que desaparece na escuridão sob a encosta da montanha. Depois de dez minutos no trem e mais alguns a pé, os visitantes chegam a uma vasta câmara que foi arrancada da terra. Aqui, mais de meio quilômetro no subsolo, há uma esfera de 12 andares feita de aço e plexiglasse-o Observatório Jiangmen Underground Neutrino (JUNO).

Nesta semana, essa enorme instalação científica, dez anos em formação, começará sua busca pelas partículas mais ilusórias do universo. Ao fazer isso, seus cientistas esperam abrir um mistério de décadas em física fundamental.

Os neutrinos-que vêm em três “sabores” conhecidos como elétron, muon e tau-são partículas elementares, estilhaços nascidos das reações nucleares que alimentam estrelas e plantas de energia atômica. Eles são extremamente leves, não têm carga elétrica e raramente interagem com qualquer outra coisa, o que significa que eles passam principalmente pelo universo desimpedido e invisível. (Centenas de trilhões de neutrinos passaram pelo seu corpo nos poucos segundos que você levou para ler esta frase.)

Eles também apresentam um problema para o modelo padrão de física de partículas. Essa descrição das partículas e forças conhecidas, uma das idéias científicas mais bem -sucedidas de todos os tempos, prevê que os neutrinos não devem ter massa. Isso está em desacordo, no entanto, com o que os físicos realmente observam.

Há cerca de 30 anos, os cientistas que trabalham em Super-Kamiokande, um observatório de neutrinos no Japão, notaram algo estranho. Enquanto o número de neutrinos Muon que chegam a seus detectores acima (formados pela colisão de raios cósmicos de alta energia com átomos na atmosfera superior da Terra) estava alinhada com as previsões, o número de neutrinos provenientes de abaixo (formado pelos mesmos processos na atmosfera do outro lado do planeta e depois a viagem até o núcleo da terra) foi Logo depois, o Observatório de Neutrinos de Sudbury, no Canadá, relatou uma anomalia semelhante em relação aos neutrinos do sol: da mistura de partículas que detectou, muito poucos foram saborosos de elétrons. Essas observações levaram os cientistas a concluir que os neutrinos devem estar se transformando de um sabor para outro enquanto voavam pelo espaço. Eles também sabiam que essa “oscilação” só seria possível se os neutrinos tivessem massa.

“A física dos neutrinos é a física além do modelo padrão”, diz Juan Pedro Ochoa-Cricoux, físico da Universidade da Califórnia, Irvine, que faz parte da equipe internacional que trabalha em JUNO. Uma compreensão mais profunda das massas dos neutrinos é a chave para um modelo padrão aprimorado. Um de JUNOOs objetivos, portanto, serão descobrir qual neutrino é mais pesado e qual é o mais leve. Wang Yifang, o principal cientista do observatório e diretor do Instituto de Física de Alta Energia da Academia Chinesa de Ciências, considera que a tarefa levará cerca de seis anos.

Em pé dentro JUNOO salão de experimentos subterrâneos parece estar em uma catedral – as vozes das pessoas ecoam dentro do enorme espaço, o que é significativamente mais frio que as florestas e campos acima do solo. O tanque no centro do observatório mantém uma mistura de cerca de 20.000 toneladas de fluidos ricos em hidrogênio, conhecidos como cintilador líquido. A grande maioria dos neutrinos que entram neste tanque passará despercebidos. Alguns, no entanto, atingirão prótons no fluido, resultando em rajadas de luz azul. Cerca de 40.000 tubos fotomultiplicadores alinham -se no interior do tanque, pronto para detectar esses flashes raros.

JUNOA tarefa será contar o número de neutrinos que chegarem de um par de usinas nucleares, cada uma situada a 53 km do observatório. Com cerca de 700 metros de montanha de granito acima, o detector está bem isolado contra outras fontes de neutrinos (resultantes de raios cósmicos, por exemplo) que, de outra forma, poderiam interferir em suas medições primárias. Os cientistas sabem quantos neutrinos de um tipo específico são produzidos nas usinas de energia, então aqueles que chegam a JUNOportanto, representam a fração que não mudou o sabor no caminho. Isso fornecerá uma medida da taxa na qual ocorre a oscilação.

Essa taxa de oscilação está, por sua vez, ligada à massa dos neutrinos. Ao contrário de outras partículas elementares, os neutrinos não têm uma massa fixa, mas, em vez disso, cada sabor de neutrino é uma mistura de três estados subjacentes, cada um de uma massa diferente, conhecida como v1, v2 e v3. Como um neutrino voa pelo espaço, a composição exata dessa mistura muda, empurrando as partículas para mudar de um sabor para outro.

Os valores precisos desses três estados de massa são o que os físicos idealmente desejam medir, mas essas observações diretas se mostraram difíceis. Os resultados de outros laboratórios de neutrinos, no entanto, forneceram pistas sobre como os estados de massa podem estar relacionados. Evidências atuais se inclinam para a “ordem normal” em que v1 é mais leve que v2, ambos muito mais leves que v3. A outra opção, conhecida como “ordem invertida”, determina que v3 é o mais leve, com v1 e v2 na extremidade mais pesada.

JUNOOs dados parecerão sutilmente diferentes, dependendo da verdadeira ordem dos estados de massa, permitindo que os cientistas definam se é mais provável que o normal ou o invertido esteja correto. Quando o observatório está totalmente operacional, são esperadas cerca de 50 detecções de neutrinos todos os dias. Cerca de 100.000 detecções serão necessárias para obter resultados estatisticamente significativos, portanto, a confiança do Dr. Wang de uma resposta dentro de seis anos.

Os físicos teóricos terão dificuldade em esperar. Desde que a oscilação de neutrinos foi confirmada experimentalmente, diz o Dr. Ochoa-Cricoux, ele e seus colegas estão ocupados criando possíveis extensões para o modelo padrão que poderia explicar a massa de neutrinos. A ordem invertida é a opção mais emocionante, diz Kaladi Babu, teórica da Universidade Estadual de Oklahoma. Ele diz que isso permitiria que os cientistas testassem se os neutrinos são, de fato, suas próprias antipartículas.

O modelo padrão diz que todas as partículas possuem equivalentes antimateriais, que têm massa idêntica, mas (entre outras coisas) oposto a carga elétrica. Algumas partículas, como o fóton, são suas próprias antipartículas. Um grupo de propostas para estender o modelo sugere que esse também pode ser o caso dos neutrinos. Eles dependem do “mecanismo de gangorra”, no qual os neutrinos podem ter pequenas massas se também estivessem conectadas a outros neutrinos, ainda não unetados, com massas muito maiores. É um mecanismo elegante preferido por teóricos como Silvia Pascoli na Universidade de Bolonha. Esses neutrinos mais pesados ​​podem até ser candidatos à matéria escura, outro fenômeno físico misterioso que só pode ser inferido até agora por seu efeito sobre o ambiente.

Para testar se neutrinos e antineutrinos são realmente os mesmos, os físicos precisam estudar isótopos radioativos de elementos como cálcio e germânio. Às vezes, esses elementos emitem dois elétrons e dois antineutrinos quando sofrem decaimento radioativo. Se os neutrinos são de fato suas próprias antipartículas, os cientistas devem, muito raramente, observar uma versão desse processo em que nenhum antineutrinos é emitido.

Quanto tempo os cientistas teriam que esperar para identificar esse evento, se a hipótese estiver correta, depende dos estados de massa de neutrinos. Se a ordem for invertida, isso deve acontecer com frequência suficiente para que experimentos sensíveis, como o LENDA experimento na Itália ou no PRÓXIMO Experimento na Espanha ou seus sucessores, deve buscá -los nos próximos dez a 15 anos. “Isso seria uma nova física ao virar da esquina”, diz o Dr. Pascoli. Mas se a ordem for normal, o processo provavelmente seria muito raro para aparecer em qualquer detector que os cientistas saibam como fazer.

Ajudando a resolver esses debates será JUNOO legado mais importante, mas o observatório também permitirá que os físicos eventualmente usem os neutrinos como sondas. JUNO Por exemplo, procurará neutrinos do fundo da Terra, que lançará luz sobre a distribuição de elementos radioativos dentro do manto e da crosta.

Também procurará neutrinos de estrelas explosivas conhecidas como supernovas. Como os neutrinos fluem através da matéria de uma maneira que a luz não pode, eles podem deixar essas estrelas e alcançar a Terra antes que a explosão real se torne visível. Detectá -los dará aos astrônomos tempo para orientar adequadamente seus telescópios, para que possam assistir às explosões épicas em ação.

É quando eles estão sendo usados ​​assim – como uma maneira de espiar lugares que são desconhecidos atualmente – que a era dos neutrinos realmente terá começado. ■