Contexto da formulação do experimento
As primeiras descobertas a respeito de neutrinos
Em 1930, Wolfgang Pauli propôs a existência de uma partícula muito leve e sem carga elétrica, que Enrico Fermi batizou de neutrino. Contudo, evidências experimentais da sua existência só foram encontradas em 1956, por uma equipe de cientistas liderada pelos físicos Frederick Reines e Clyde Cowan, que detectaram antineutrinos de elétrons produzidos por um reator nuclear na usina de Savannah River.
Neutrinos são o segundo tipo de partículas mais abundante no universo (em primeiro lugar estão os fótons), com cerca de aproximadamente 100 trilhões passando pelo nosso corpo a cada segundo. Todavia esses neutrinos raramente interagem com a matéria, o que faz com que eles sejam extremamente difíceis de estudar e sejam pouco compreendidos.
Os neutrinos são representados pela grega "ν" (nu).
Na década de 1960, o astrofísico John N. Bahcall desenvolveu um modelo da física nuclear do sol e conseguiu calcular o número de neutrinos esperados para chegar à Terra vindos do Sol. Ele e Raymond Davis Jr. desenvolveram um experimento, conhecido como experimento Homestake, para medir o número de neutrinos vindos do sol. Ao realizar o experimento, eles encontraram apenas 1/3 do número esperado de neutrinos.
Através do trabalho de muitos pesquisadores, o mistério dos neutrinos solares faltantes foi resolvido pela descoberta que há três sabores de neutrinos e que os neutrinos oscilam entre esses sabores. Pela comprovação da oscilação dos neutrinos Takaaki Kajita e Arthur McDonald receberam o premio Nobel em 2015. Esses sabores são chamados elétron neutrino, múon neutrino e tau neutrino, de acordo com o tipo de partícula com carga com as quais eles interagem.
Como o DUNE vai detectar neutrinos?
Detectar neutrinos é difícil, pois eles interagem pouco com a matéria. Para contornar isso, DUNE está construindo um detector de grande escala. Vamos produzir um feixe de neutrinos de alta potência (maior já produzido), que chegarão a 4 criostatos enormes (cada um com 65,8 m de comprimento, 18,9 m de largura e 17,8 m de altura), recheados com 70.000 toneladas argônio líquido (que é um excelente cintilador, produzindo luz e cargas elétricas para quaisquer interações). Desse modo garantimos que conseguiremos observar neutrinos suficientes para nossas medições (apesar de serem apenas uma fração do total). Entre a produção e a detecção dos neutrinos, eles passarão por um trajeto de 1.300km por dentro da terra, tendo tempo suficiente para oscilar.
Créditos: DUNE ND Overview (A.Weber)
Como produzir neutrinos?
O gás hidrogênio pode ser ionizado, deixando apenas prótons expostos. DUNE utilizará um acelerador de partículas de 800 milhões de elétron volts (em desenvolvimento no projeto PIP-II https://pip2.fnal.gov/) para acelerar esses prótons a altíssimas velocidades contra um alvo de grafite, que após algumas interações atômicas, decaimento e processos de filtração, deixará apenas um feixe de neutrinos. O vídeo abaixo pode dar mais detalhes (em inglês, da Symmetry Magazine)
O Near Detector (ND) - Detector próximo
Logo após a produção, o feixe de neutrinos passará por uma série de detectores próximos, no complexo chamado de Near Detector (ND). Esse complexo terá três detectores, dois dos quais poderão ser colocados e retirados da linha do feixe. Os dois detectores móveis têm alvos de 50 toneladas de argônio líquido (ND - LAr na figura), 1 tonelada de argônio gasoso (ND - GAr na figura) e sistemas de captura de sinal elétrico e de detecção de fótons. O terceiro detector monitorará o feixe de neutrinos (SAND na figura).
Créditos: Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Near Detector Conceptual Design Report
Para detectar as interações dos neutrinos, o ND - LAr será envolto por planos (paredes) de fios, para as quais as cargas produzidas derivarão devido a ação de um forte campo elétrico. Além disso, as paredes também conterão detectores de luz (ArCLights e LCMs, baseados nos princípios da Arapuca, criada pelos pesquisadores brasileiros). Ele é uma LArTPC (Liquid Argon Time Projection Chamber). Os sinais detectados são então processados por um sistema de aquisição de dados e classificados de acordo com o tipo de interação utilizando redes neurais desenvolvidas pela colaboração.
Desenho esquemático do ND-LAr
Créditos: The DUNE Near Detector de Federico Battisti
Exemplo de sinal elétrico de um evento capturado em duas paredes e sua reconstrução 3d, que é utilizada para classificar o evento que ocorreu no detector. Créditos: https://argoncube.org/duneND.html
O Far Detector (FD) - Detector distante
Os neutrinos do múon, que compoẽm quase 100% do feixe, viajarão por 1.300 km, oscilando durante a viagem e chegarão ao Far Detector (FD), que será composto por 4 LArTPCs (Liquid Argon Time Projection Chambers) de tamanho sem precedentes cada um com 65,8 m de comprimento, 18,9 m de largura e 17,8 m de altura e utilizando um total de 70.000 toneladas de argônio líquido. Cada LArTPC é envolta por um criostato enorme para conseguir manter o argônio na forma líquida, abaixo de -184ºC.
Esquema de túneis com os 4 criostatos do Far Detector.
Fonte para ambas as imagens DUNE-TDR
Interior do detector e seus planos de fios de captura dos sinais elétricos.
Os detectores ainda estão em produção, mas protótipos foram construidos para validar e testar toda a tecnologia que está sendo desenvolvida. O maior dos protótipos é um experimento digno de nota por si só, chamado de ProtoDUNE, o qual foi guarnecido com Arapucas desenvolvidas e construídas, em parte, no Brasil. As imagens mostram um pesquisador no interior do ProtoDUNE e imagens de sinais colhidos no experimento.
Créditos: CERN