China e EUA correm para estudar neutrinos – ‘partículas fantasmas’ do universo

Trilhões de neutrinos passam pelo nosso corpo a cada segundo. O sol os produz por fusão; o mesmo acontece com as usinas nucleares. Alguns vêm de explosões de supernovas no espaço. Os neutrinos emparelham com os antineutrinos, que os cientistas acham que refletem o seu comportamento.

Portanto, o JUNO foi projetado para capturar antineutrinos – especificamente, aqueles emitidos por duas usinas nucleares a cerca de 53 quilômetros de distância do observatório.

A esfera do JUNO, que tem 13 andares de altura, será preenchida com um líquido especial chamado “cintilador” e submersa em um cilindro de água purificada, disse Wang Yifang, líder do projeto e diretor do Instituto de Física de Altas Energias da China.

Quando os antineutrinos passam para o líquido, eles desencadeiam processos químicos que produzem um breve vislumbre de luz, que pode ser capturado por sensores que revestem a esfera.

“O evento irá desencadear um flash com duração de apenas cerca de 5 nanossegundos, que esperamos capturar com os milhares de tubos fotomultiplicadores que rodeiam a esfera”, disse Wang, usando um capacete enquanto os trabalhadores atrás dele instalavam os tubos. “Esperamos assistir a 60 eventos por dia.”

Graças a essa abordagem, o JUNO deverá ser capaz de medir diferenças nas massas dos antineutrinos cerca de 10 vezes melhor do que os equipamentos anteriores.

O primeiro de três novos observatórios de neutrinos

O JUNO faz parte dos ambiciosos esforços da China para se tornar uma potência científica global. Num discurso este ano, o presidente Xi Jinping apresentou planos para transformar o país num gigante da ciência e tecnologia até 2035.

Espera-se que o JUNO seja o primeiro de três observatórios de neutrinos da próxima geração que serão inaugurados nos próximos 10 anos, o que o torna uma espécie de ponta de lança em uma nova era na física. No Japão, o observatório Hyper-Kamiokande está programado para ser inaugurado em 2027. E um programa apoiado pelos EUA chamado Deep Underground Neutrino Experiment, ou DUNE, exige que um acelerador de partículas envie um feixe de neutrinos para o subsolo de Illinois para Dakota do Norte, começando em 2027. 2031.

Todos os três próximos observatórios planeiam utilizar tecnologias diferentes para detectar as partículas, pelo que são ao mesmo tempo complementos e concorrentes. Cada um envolve uma ampla colaboração internacional destinada a impulsionar o campo, gerar novas tecnologias derivadas e treinar uma nova onda de cientistas.

“Não é improvável que observemos algo inesperado quando activarmos estas experiências”, disse Chris Marshall, professor assistente de física na Universidade de Rochester, que está a trabalhar no projecto DUNE. “Tentar desvendar esses efeitos realmente complicados… exigirá vários experimentos que medem as coisas de maneiras diferentes.”

Até certo ponto, a capacidade de cada observatório de responder a questões-chave da física dependerá de quão bem os pesquisadores forem capazes de trabalhar entre projetos e uns com os outros. Mas está a crescer a preocupação entre alguns cientistas em todo o mundo de que o aumento das tensões geopolíticas entre os EUA e a China – e o resultante azedamento da sua relação científica – possa impedir o progresso.

Nos últimos anos, os EUA têm seguido políticas destinadas a impedir que os cientistas chineses levem tecnologia baseada nos EUA para o seu país de origem e a impedir a China de caçar talentos científicos estelares.

Wang disse que os EUA negaram os seus pedidos de visto em 2022 e 2023, sem explicação, e que limitaram o envolvimento dos EUA no JUNO.

“Na ciência, a cooperação e a competição são boas, mas não devem ser apenas competição”, disse ele.

Cientistas baseados nos EUA disseram que também notaram novos obstáculos ao trabalho com cientistas chineses.

“Do lado dos EUA, torna-se mais difícil obter financiamento para colaboração com colegas chineses e tornou-se bastante difícil para os nossos colegas chineses obter visto dos EUA”, disse Patrick Huber, diretor do Centro de Física de Neutrinos da Virginia Tech, por e-mail. .

Ignacio Taboada, professor de física na Georgia Tech que ajuda a liderar um observatório de neutrinos existente no Pólo Sul, disse: “Não é impossível colaborar com cientistas chineses – está apenas a ficar cada vez mais difícil”.

Resolvendo os mistérios dos neutrinos

Os dados gerados no JUNO podem contribuir muito para resolver mistérios importantes sobre como e por que os neutrinos mudam de forma mais do que outras partículas subatômicas.

Os neutrinos podem oscilar, ou transformar-se, entre três chamados “sabores” à medida que viajam – múon, tau e elétron. O Sol, por exemplo, envia neutrinos de elétrons em direção à Terra, mas às vezes eles chegam como neutrinos de múon. Quando os neutrinos interagem – o que acontece apenas raramente – eles estabelecem um sabor específico.

Além disso, os cientistas pensam que os neutrinos viajam como um de três estados de massa diferentes e que os estados ajudam a determinar a probabilidade de um neutrino interagir como um sabor específico. Mas ainda não está claro qual dos estados tem mais massa.

Os cientistas também pensam que os neutrinos e os antineutrinos podem sofrer transformações diferentes à medida que viajam e que essas diferenças podem ser responsáveis ​​por parte do desequilíbrio na física entre matéria e antimatéria no Universo.

Nesse caso, aprender mais sobre as massas e oscilações de neutrinos e antineutrinos poderia ajudar os pesquisadores a entender se faltam páginas no modelo padrão da física – o livro de regras para partículas e como elas interagem – ou se partículas ou forças anteriormente desconhecidas podem estar desempenhando um papel invisível. papel.

“Nossa bela teoria da realidade, o modelo padrão, não é a teoria final”, disse Sergio Bertolucci, físico de partículas italiano e co-porta-voz do DUNE. “Descobrimos que precisamos saber mais sobre os neutrinos para responder a coisas que o modelo padrão não consegue responder.”

Wang quer que o JUNO vença a corrida para determinar a hierarquia de massa dos neutrinos – antes dos EUA e de outros países.

“Queremos apenas ser bons cientistas. Na ciência, ser o primeiro é o mais importante. Ficar em segundo não é nada”, disse ele. “Como cientista, não posso ser apenas um seguidor o tempo todo. Eu quero ter o meu próprio.”

Se o JUNO explicar a história das massas dos neutrinos antes do DUNE ficar online, o projecto liderado pelos EUA seria então capaz de medir a questão de forma diferente e confirmar os resultados do JUNO.

O plano do DUNE é medir os neutrinos à medida que saem de uma instalação em Illinois, após o que viajarão 800 milhas através da Terra, onde poderão interagir e oscilar. Assim que chegarem a Dakota do Sul e puderem ser detectados, os cientistas deverão ser capazes de comparar a mistura de sabores de neutrinos no início e no final de sua jornada. No entanto, o projeto teve atrasos e custos excessivos.

“O rico conjunto de dados do JUNO, que será único… desempenhará um papel fundamental para nos ajudar a determinar a ordem de massa antes de 2030, por si só ou em combinação com outros experimentos”, disse Pedro Ochoa-Ricoux, professor de física e astronomia na Universidade da Califórnia, Irvine.

Vários cientistas por trás dos projetos de observatórios de neutrinos admitiram, porém, que é impossível prever os benefícios práticos e terrestres da pesquisa. No futuro, sugeriram eles, isso poderia gerar novas tecnologias, impulsionar inovações na computação com uso intensivo de dados e avançar na ciência dos aceleradores de partículas.

“Se você melhorar uma vela, nunca fará uma lâmpada elétrica, então precisa de um passo. É necessária uma descontinuidade”, disse Mary Bishai, física de partículas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA e co-porta-voz do projecto DUNE. “A pesquisa fundamental é essencialmente geradora de descontinuidades.”

Wang colocou a questão de outra forma, atribuindo seu trabalho à pura curiosidade: “Estou engajado em ciência ‘inútil’”, disse ele.