GRANDES EXPERIMENTOS II
Experimentos do presente
e do futuro
Na década seguinte à fundação do CERN, surgia também o que viria a se tornar o maior laboratório de física de partículas dos Estados Unidos, no estado de Illinois. Desde 1967, o Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) hospeda e participa de inúmeras colaborações internacionais de cientistas, como os experimentos do CERN. O Fermilab conta também com algumas grandes contribuições para os fundamentos da física de partículas, como a realização dos experimentos que levaram às descobertas dos quarks bottom e top, e do neutrino tau.
De acordo com material cedidos por João dos Anjos, pesquisador da CBPF e atual diretor do Observatório Nacional, no Rio de Janeiro, o relacionamento científico entre Brasil e Fermilab remonta a 1983, quando Leon Lederman, então diretor do laboratório, convidou quatro físicos brasileiros para trabalhar em um experimento chamado E-691, que tinha o objetivo de estudar a produção dos já conhecidos quarks charm em colisões de partículas contra alvos fixos. Os quatro jovens físicos — Carlos Escobar, da USP, Alberto Santoro, Moacyr Souza e o próprio João dos Anjos, da CBPF — retornaram ao Brasil dois anos depois, munidos dos conhecimentos adquiridos neste período de intercâmbio, e formaram grupos de pesquisa cujo legado vive ainda hoje em instituições de São Paulo e Rio de Janeiro.
Artigo publicado na Physics Review de 1988, tendo João dos Anjos como um dos autores. Este foi o segundo artigo publicado com base nos experimentos no E-691, ao total todo foram publicados 27 artigos entre 1986 e 1992.
A colaboração entre Brasil e Fermilab apenas se expandiu desde então. Na Universidade Federal de Goiás (UFG), um grupo de pesquisa colabora com o laboratório estadunidense em um experimento voltado para o estudo de neutrinos, o NOvA. Neutrinos são partículas elementares extremamente abundantes no Universo, mas que raramente interagem com outras partículas, o que explica o fato de serem tão difíceis de detectar. Por essa característica, os neutrinos ganharam o apelido de “partícula fantasma”. Ricardo Avelino Gomes, professor do Instituto de Física da UFG, possui experiência trabalhando em diferentes experimentos do Fermilab, e hoje dedica-se ao estudo da física de neutrinos no NOvA. “‘Fantasmas’ porque podem atravessar grande quantidade de matéria sem interagir, como se fossem fantasmas atravessando paredes”, explica o professor, “para detectá-los, nós precisamos de grandes detectores e fontes intensas de neutrinos, sejam provenientes de aceleradores, de reatores nucleares, ou de raios cósmicos”.
Para estudar essas partículas tão elusivas em um acelerador, é necessário criar um feixe incrivelmente intenso, concentrando a maior quantidade de neutrinos possível, e fazê-lo colidir com detectores muito precisos. Isso é o que o experimento NOvA proporciona aos pesquisadores.
Existe uma classificação que divide neutrinos em três diferentes tipos, ou “sabores”, como físicos e físicas também os chamam: neutrinos muônicos, neutrinos eletrônicos e neutrinos tauônicos. É sabido que um mesmo neutrino pode mudar de um tipo para o outro ao longo do tempo, em um comportamento muito peculiar chamado oscilação de neutrinos. O que não se sabe, no entanto, é como esse mecanismo funciona em detalhes. Além disso, não se sabe exatamente definir quais são as massas desses neutrinos, ou a ordem entre elas – isto é, dizer qual neutrino é mais leve e qual é mais pesado. “Os neutrinos têm algumas características curiosas”, diz Avelino Gomes, “e como são extremamente difíceis de se detectar, de se observar, costumamos dizer que eles escondem mistérios. Mas na verdade, o que precisamos são mais medidas, mais observações precisas para poder revelar tais mistérios”. É com isso em mente que o Fermilab tem investido pesadamente em projetos voltados para o estudo dessas partículas nos últimos anos.
Vídeo em inglês com legendas em inglês.
Nessa investida, o Fermilab é um dos protagonistas no desenvolvimento do que promete ser o próximo grande experimento para o estudo das partículas fantasmas, o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). “O DUNE é um experimento fantástico, uma iniciativa que envolve um grande número de cientistas e usará o mais intenso feixe de neutrinos já produzido. Ele será capaz de fazer as mesmas análises que o NOvA, porém com maior precisão”, conta o professor da UFG, que é um colaborador também neste projeto.
Ettore Segreto é um físico nascido na Itália, há cinco anos veio ao Brasil trabalhar como pesquisador da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), e tem hoje um importante papel no consórcio do DUNE. Ele conta mais detalhes sobre o projeto: “O DUNE é uma das maiores colaborações do mundo. O objetivo final do experimento é responder algumas das perguntas ainda em aberto na física de partículas: qual é a origem da matéria? Por que, se no Big Bang matéria e antimatéria foram criadas de maneira simétrica, está sobrando matéria? – por que a antimatéria desapareceu quase completamente? Nós acreditamos que neutrinos poderiam ajudar a responder a essas perguntas. Outro objetivo é detectar neutrinos de origem cósmica, ou seja, produzida na explosão de supernovas, o ato final da existência de uma estrela”. Neste experimento, um feixe de neutrinos extremamente potente será gerado no Fermilab, e viajará pelo subterrâneo por um percurso de cerca de 1300 km de comprimento, até alcançar um detector instalado no Sanford Lab, localizado na Dakota do Sul.
(Veja na horizontal para uma melhor visualização)
O DUNE conta com duas estruturas separadas por 1300 km, funcionando em conjunto para descobrir alguns dos maiores mistérios do universo.
Crédito: Fermilab/Dune | Tradução: ICTP-SAIFR.
Hoje, Segreto está à frente do grupo que desenvolve um dos futuros detectores do DUNE, aqui na Unicamp. “A interação de neutrinos dentro do detector produz dois tipos de sinal: um sinal de carga de ionização e um sinal de luz, que a gente chama de luz de cintilação. O sistema de detecção da luz de cintilação foi desenvolvido na Unicamp, e se chama ‘Arapuca’”. O nome é uma abreviação para “Argon R&D and Advanced Program UniCAmp”, mas a palavra “arapuca” é de origem indígena, e se refere a um tipo de armadilha usada para capturar pássaros e outros animais pequenos. A escolha desse nome faz uma alusão ao detector que funciona como uma armadilha que captura sinais de luz.
“É uma tecnologia muito inovadora, em cujo desenvolvimento estão participando instituições latinoamericanas, europeias e norteamericanas. O objetivo é muito ambicioso, mas na Unicamp e no Brasil estão construindo um grupo de pesquisadores muito forte, que está conseguindo responder a todas as exigências do experimento. Além disso, estamos construindo uma série de colaborações com empresas locais, do estado de São Paulo e do Brasil, para a construção dos módulos do sistema de detecção de fótons”. Esse é um bom exemplo de como o investimento em ciência de base no Brasil pode gerar ganhos tecnológicos e movimentar economias locais, e de como o trabalho de cientistas, engenheiros e tecnólogos nacionais está ao nível dos desafios presentes na fronteira do conhecimento.
Outro bom exemplo disso é o CONNIE (sigla inglesa para Experimento de Interação Coerente Neutrino-Núcleo), uma colaboração internacional em física de partículas fundamental cujo experimento opera em território nacional. O objetivo do CONNIE é medir o espalhamento coerente de neutrinos de baixas energias. Esse é um fenômeno no qual esses neutrinos passageiros são richocheteados por núcleos de átomos, causando nestes uma pequena perturbação. Detectores muito sensíveis são capazes de captar essas perturbações, que podem ajudar físicos e físicas a compreender a maneira como os neutrinos interagem com matéria.
Uma das lideranças no experimento é a professora Carla Bonifazi, física da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), que conta um pouco mais sobre o funcionamento do CONNIE: “Para poder medir no CONNIE estas partículas, usamos detectores ou câmeras CCD, como as que temos em câmeras fotográficas, mas muitíssimo mais precisas e sensíveis”. CCD é a sigla, em inglês, para Dispositivo Acoplado de Carga, uma tecnologia de detecção de luz muito utilizada em grandes instrumentos astronômicos, como o Telescópio Espacial Hubble, e que hoje está presente inclusive em câmeras fotográficas e celulares. De acordo com a professora Bonifazi, essa tecnologia faz com que o CONNIE seja um dos experimentos mais adequados do mundo para a busca de Física Além do Modelo Padrão em regimes de baixas energias.
Crédito: Aguilar-Arevalo, Alexis & Bertou, Xavier & Bonifazi, Carla & Cancelo, G. & Castañeda, Alejandro & Vergara, Brenda & Chavez, Claudio & D'Olivo, Juan & Anjos, J.C & Estrada, Juan & Neto, Aldo & Fernandez Moroni, Guillermo & Foguel, Ana & Ford, Richard & Cuevas, Juan & Hernández, Pamela & Hernandez, Susana & Izraelevitch, Federico & Kavner, Alexander & Wagner, Stefan. (2019). Exploring low-energy neutrino physics with the Coherent Neutrino Nucleus Interaction Experiment (CONNIE).
A intensa fonte de neutrinos que alimenta os detectores do CONNIE não é um potente feixe de partículas construído com esse propósito específico, como no caso dos experimentos NOvA e DUNE, do Fermilab, mas sim a usina nuclear Angra 2, localizada no município de Angra dos Reis, no Rio de Janeiro. Para poder estudar neutrinos é preciso ter um alto fluxo dessas partículas — existem diversas maneiras de se obter neutrinos em grandes quantidades, uma delas é simplesmente estar do lado de um reator nuclear, onde são produzidos enormes fluxos de neutrinos resultantes dos processos de fissão nuclear. “Historicamente, desde a primeira detecção destas partículas, experimentos são realizados na proximidade de reatores nucleares. Por outro lado, nem sempre é fácil poder ficar perto de um reator nuclear, por isso aqui no Brasil, nos sentimos muito privilegiados. É importante também dizer que a usina Angra 2 é uma das mais potentes que existem, portanto, vai nos dar o maior número de neutrinos possível. A interação que CONNIE quer ver ocorre em neutrinos com baixas energias, que são justamente os produzidos em usinas nucleares.”
Cabe lembrar que boa parte dos experimentos em física de partículas envolve o esforço coordenado e recursos de muitas nações, conformando experimentos com centenas de participantes. Com grupos multiculturais deste tamanho, a convivência e o estabelecimento de normas são um exemplo e aprendizado para a cooperação entre os povos.
Carla Bonifazi
Professora da UFRJ e colaboradora do CONNIE.
Neste ponto, é válido lembrar que a física de partículas não tem sido feita apenas de aceleradores em túneis subterrâneos e detectores estrategicamente posicionados próximos a usinas nucleares. Embora a façanha humana do desenvolvimento tecnológico tenha permitido um avanço científico sem igual nas últimas décadas, a natureza continua sendo um grande laboratório capaz de produzir fenômenos em escalas energéticas inspiradoras de muitos estudos, como é o caso das pesquisas desenvolvidas no Observatório Pierre Auger. Fundado em 1999 na cidade de Mendoza, Argentina, o observatório consiste em uma colaboração internacional dedicada ao estudo de raios cósmicos de altas energias, um tipo misterioso de raios cósmicos que podem alcançar energias centenas de milhões de vezes maiores do que a de partículas produzidas nos mais potentes aceleradores de partículas.
Raios cósmicos são estudados por meio dos chamados “chuveiros de partículas”, um fenômeno que ocorre quando um raio cósmico, vindo em direção à Terra, colide com uma molécula de ar na atmosfera. Da colisão, novas partículas são geradas, que por sua vez colidem com mais moléculas de ar e, em um efeito cascata, são produzidos os “chuveiros”. Através do estudo das partículas intermediárias geradas nesse chuveiro, é possível reconstituir as propriedades do raio cósmico original que desencadeou o efeito. Pensa-se que a maioria dos raios cósmicos que chegam à Terra são gerados em explosões de supernovas que ocorrem dentro da própria Via Láctea. Entretanto, a origem dos raios cósmicos de mais altas energias permanece, em grande parte, um mistério. Em 2007, o Observatório Pierre Auger anunciou um resultado que indica que os raios cósmicos de altas energias podem estar sendo gerados em núcleos ativos de galáxias (AGNs, na sigla em inglês), isto é, núcleos de galáxias que emitem radiação extremamente intensa – especula-se que esse tipo de fenômeno seja causado pela interação entre buracos negros supermassivos no centro dessas galáxias e a matéria nos seus arredores.
“O Brasil teve um papel protagonista muito importante no Observatório Pierre Auger. Vários cientistas brasileiros tiveram papéis muito importantes. Carlos Escobar foi presidente do conselho da colaboração, eu mais tarde também fui presidente durante certo período”, relata o pesquisador Ronald Cintra Shellard, físico brasileiro e atual diretor do CBPF, no Rio de Janeiro. “Nós temos a Carola Dobrigkeit, que há 7 anos preside o conselho editorial do Observatório”, continua o físico. “A contribuição brasileira foi não só em termos da ciência, mas também de toda a tecnologia. Nós construímos uma fração significativa dos detectores que hoje compõem o Observatório, provemos vários equipamentos, mobilizando a indústria brasileira e, com isso, podemos dizer que foi e ainda é um experimento do qual nos orgulhamos muito”.
Outro projeto que com o objetivo de estudar do céu é o consórcio CTA (Cherenkov Telescope Array), que visa a construção do maior observatório já concebido para o estudo de raios gama. Shellard e muitos pesquisadores estão com altas expectativas para a inauguração do observatório, que até o momento está prevista para 2024. “Entender os raios gama também ajuda num dos grandes desafios que nós ainda temos no Observatório Pierre Auger, que é entender a origem dos raios cósmicos de energia mais alta”, considera o físico. O pesquisador Ulisses Barres de Almeida, também da CBPF, faz parte da colaboração do CTA como um de seus coordenadores. Ele explica: “O CTA será o maior e mais potente observatório já construído na área, e está sendo planejado há uma década. Os primeiros telescópios protótipos já foram construídos e estão em fase de testes. Um deles, inclusive, chamado LST-1, já foi instalado no sítio do CTA no Hemisfério Norte, na Ilha Canária de La Palma. Além deste sítio, o CTA terá uma segunda localização nos Andes Chilenos, para ter acesso ao céu visível dos dois hemisférios terrestres”. Ainda segundo o pesquisador, o protótipo LST-1 foi projetado com a participação da equipe do CBPF, que desenvolveu parte da tecnologia para alinhamento dos espelhos do telescópio.
O que é a radiação Cherenkov?
Elisabete Dal Pino (IAG-USP)
Outro projeto que com o objetivo de estudar do céu é o consórcio CTA (Cherenkov Telescope Array), que visa a construção do maior observatório já concebido para o estudo de raios gama. Shellard e muitos pesquisadores estão com altas expectativas para a inauguração do observatório, que até o momento está prevista para 2024. “Entender os raios gama também ajuda num dos grandes desafios que nós ainda temos no Observatório Pierre Auger, que é entender a origem dos raios cósmicos de energia mais alta”, considera o físico. O pesquisador Ulisses Barres de Almeida, também da CBPF, faz parte da colaboração do CTA como um de seus coordenadores. Ele explica: “O CTA será o maior e mais potente observatório já construído na área, e está sendo planejado há uma década. Os primeiros telescópios protótipos já foram construídos e estão em fase de testes. Um deles, inclusive, chamado LST-1, já foi instalado no sítio do CTA no Hemisfério Norte, na Ilha Canária de La Palma. Além deste sítio, o CTA terá uma segunda localização nos Andes Chilenos, para ter acesso ao céu visível dos dois hemisférios terrestres”. Ainda segundo o pesquisador, o protótipo LST-1 foi projetado com a participação da equipe do CBPF, que desenvolveu parte da tecnologia para alinhamento dos espelhos do telescópio.
O que é a radiação Cherenkov?
Elisabete Dal Pino (IAG-USP)
Além de possibilitar muitos estudos de interesse para a astrofísica, existe a expectativa de que o CTA seja capaz de encontrar possíveis assinaturas de matéria escura. Isso se deve a predições de que um tipo hipotético de partícula chamada WIMP (abreviação em inglês para “partícula massiva de interação fraca”), considerada hoje a mais promissora candidata para compor o que chamamos de matéria escura, seria capaz de gerar radiação gama quando aniquilada. De acordo com Barres de Almeida, outra novidade importante é que o CTA funcionará como um observatório aberto de astronomia gama, o que significa que “astrônomos do mundo todo poderão usá-lo para fazer pesquisa, mediante o envio competitivo de propostas e projetos observacionais”. Ulisses também é coordenador científico da colaboração Southern Wide Field Gamma-ray Observatory (SWGO), que visa a construção de um observatório de raios gama complementar ao CTA na América do Sul. Este observatório será mais sensível à radiação gama de altíssima energia, acima de um limite no qual o CTA começa a perder sensibilidade. O pesquisador explica que dessa maneira o SWGO poderá observar fontes ainda mais extremas, e com isso estudar diretamente a origem dos raios-cósmicos mais energéticos da Galáxia.
Nós precisamos, talvez, melhorar as práticas e a maneira como nós no Brasil montamos essas grandes colaborações, de maneira a ter um protagonismo cada vez maior. Acho que nós temos hoje no país um grupo de cientistas, em particular de cientistas bastante jovens e muito bem capacitados, que podem realmente elevar a qualidade da participação brasileira nessas grandes colaborações. E quando eu digo ‘elevar a qualidade’, significa ter um protagonismo maior do que a gente já tem. Nossa geração tem muito orgulho do que fizemos até agora, mas podemos crescer muito mais.
Ronald Cintra Shellard
Diretor do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas.
Seja por meio de fenômenos naturais altamente energéticos produzidos pela natureza, ou de grandes máquinas construídas pela humanidade a fim de simular esses processos de maneira controlada, o estudo das menores e mais fundamentais constituintes da matéria chegou mais longe no último século do que jamais em qualquer outro período histórico. As próximas décadas da física de partículas continuarão cercadas por grandes experimentos, com objetivos cada vez mais ambiciosos – desvendar a natureza da matéria escura, a composição de antimatéria do universo ou o comportamento de neutrinos, são apenas algumas das questões mais atuais nas quais cientistas da área estão trabalhando, ao mesmo tempo em que buscam expandir os modelos atuais para que melhor reflitam o universo que observamos. Graças à colaboração entre diferentes povos e culturas, algumas das questões mais elementares da humanidade começam a ganhar explicações muito precisas – que, por sua vez, abrem espaço para novos mistérios e questionamentos sobre o universo. Assim, talvez não seja exagero dizer que toda a trajetória da física de partículas e o fascinante horizonte de mistérios em aberto sejam o legado do momento em que o ser humano primeiro se fez aquela antiga pergunta fundamental: “do que são feitas as coisas?”.
A astrofísica de partículas
Ulisses Barres (CBPF)
Seja por meio de fenômenos naturais altamente energéticos produzidos pela natureza, ou de grandes máquinas construídas pela humanidade a fim de simular esses processos de maneira controlada, o estudo das menores e mais fundamentais constituintes da matéria chegou mais longe no último século do que jamais em qualquer outro período histórico. As próximas décadas da física de partículas continuarão cercadas por grandes experimentos, com objetivos cada vez mais ambiciosos – desvendar a natureza da matéria escura, a composição de antimatéria do universo ou o comportamento de neutrinos, são apenas algumas das questões mais atuais nas quais cientistas da área estão trabalhando, ao mesmo tempo em que buscam expandir os modelos atuais para que melhor reflitam o universo que observamos. Graças à colaboração entre diferentes povos e culturas, algumas das questões mais elementares da humanidade começam a ganhar explicações muito precisas – que, por sua vez, abrem espaço para novos mistérios e questionamentos sobre o universo. Assim, talvez não seja exagero dizer que toda a trajetória da física de partículas e o fascinante horizonte de mistérios em aberto sejam o legado do momento em que o ser humano primeiro se fez aquela antiga pergunta fundamental: “do que são feitas as coisas?”.
A astrofísica de partículas
Ulisses Barres (CBPF)
Reportagem: Ana Luiza Sério (ICTP-SAIFR), Artur Alegre (ICTP-SAIFR), Malena Stariolo (ICTP-SAIFR);
Consultoria Científica: Rogerio Rosenfeld (ICTP-SAIFR/IFT-UNESP);
Edição: Malena Stariolo (ICTP-SAIFR).
