Em 1930, o físico Wolfgang Pauli propôs a existência de uma partícula muito leve e sem carga elétrica, posteriormente batizada de neutrino pelo físico Enrico Fermi. Contudo, evidências experimentais de sua existência só foram obtidas 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 Site.

Os neutrinos são o segundo tipo de partícula mais abundante do Universo — em primeiro lugar estão os fótons — com cerca de 100 trilhões atravessando nosso corpo a cada segundo. No entanto, esses neutrinos raramente interagem com a matéria, o que os torna extremamente difíceis de detectar e estudar, sendo ainda hoje partículas pouco compreendidas em diversos aspectos.

Os neutrinos são representados pela letra grega ν (nu).

Crédito: frontiers magazine ( https://kids.frontiersin.org/articles/10.3389/frym.2022.1034181 )

Detectar neutrinos é difícil, pois eles interagem muito pouco com a matéria. Para contornar esse desafio, o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) está construindo um detector de grande escala. Será produzido um feixe de neutrinos de alta potência — o mais intenso já construído — que será direcionado a quatro criostatos de grandes dimensões (cada um com 65,8 m de comprimento, 18,9 m de largura e 17,8 m de altura), preenchidos com 70.000 toneladas de argônio líquido, um excelente meio cintilador, capaz de produzir luz e cargas elétricas quando ocorre a interação de partículas.

Dessa forma, torna-se possível observar um número suficiente de neutrinos para realizar medições precisas, ainda que apenas uma pequena fração deles interaja no detector. Entre a produção e a detecção, os neutrinos percorrem uma distância de aproximadamente 1.300 km através do interior da Terra, tempo suficiente para que ocorram oscilações entre seus diferentes sabores.

O gás hidrogênio pode ser ionizado, deixando apenas prótons livres. O DUNE utilizará um acelerador de partículas com energia da ordem de 800 milhões de elétron-volts (800 MeV) — em desenvolvimento no projeto PIP-II — para acelerar esses prótons a altíssimas velocidades e direcioná-los contra um alvo de grafite.

A partir dessas colisões, são produzidas diversas partículas instáveis que, após uma sequência de interações, decaimentos e processos de focalização e filtragem, dão origem a um feixe intenso de neutrinos.

O vídeo abaixo apresenta mais detalhes sobre esse processo (em inglês), produzido pela Symmetry Magazine.

Logo após a produção, o feixe de neutrinos passará por uma série de detectores próximos, no complexo denominado Near Detector (ND) Complex. Esse complexo contará com três detectores, dois dos quais poderão ser posicionados dentro ou fora da linha do feixe.

Os dois detectores móveis possuem alvos compostos por 50 toneladas de argônio líquido (ND-LAr, na figura) e 1 tonelada de argônio gasoso (ND-GAr, na figura), além de sistemas de coleta de carga elétrica e de detecção de fótons. O terceiro detector, denominado System for on-Axis Neutrino Detection (SAND), será responsável pelo monitoramento contínuo do feixe de neutrinos.

Créditos: Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Near Detector Conceptual Design Report

Os neutrinos do múon, que compõem quase 100% do feixe, viajarão por cerca de 1.300 km, oscilando durante o trajeto, até chegarem ao Far Detector (FD). Esse detector será composto por quatro Liquid Argon Time Projection Chamber (LArTPC) de tamanho sem precedentes, cada uma com 65,8 m de comprimento, 18,9 m de largura e 17,8 m de altura, utilizando ao todo 70.000 toneladas de argônio líquido.

Cada LArTPC é envolta por um enorme criostato, responsável por manter o argônio no estado líquido, a temperaturas inferiores a −184 °C.