O detector de neutrinos em miniatura promete testar as leis da física
Um detector relativamente pequeno capturou neutrinos de um reator nuclear usando uma técnica conhecida como espalhamento coerente
Uma usina nuclear em Liebstadt, na Suíça, hospedou o detector Conus+ Neutrino.
Andreas Haas/Diebildmanufaktur/Alamy
Os físicos pegaram neutrinos de um reator nuclear usando um dispositivo pesando apenas alguns quilos, ordens de magnitude menos massivas que os detectores padrão de neutrinos. A técnica abre novas maneiras de testar as leis conhecidas da física e detectar os neutrinos abundantes produzidos no coração de estrelas em colapso.
“Eles finalmente fizeram isso”, diz Kate Scholberg, físico da Duke University em Durham, Carolina do Norte. “E eles têm resultado muito bonito.” O experimento, chamado Conus+, é descrito em 30 de julho em Natureza.
Quarry desafiador
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Os neutrinos são partículas elementares que não têm carga elétrica e geralmente não interagem com outra matéria, tornando -as extraordinariamente difíceis de detectar. A maioria das experiências de neutrinos captura essas partículas indescritíveis observando flashes de luz que são gerados quando um neutrino colide com um elétron, próton ou nêutron. Essas colisões ocorrem extremamente raramente, portanto, esses detectores geralmente têm massas de toneladas ou milhares de toneladas para fornecer material de destino suficiente para reunir neutrinos em números relevantes.
Scholberg e seus colaboradores demonstraram pela primeira vez a técnica de mini-detector em 2017, usando-a para capturar neutrinos produzidos por um acelerador no Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee. As partículas de Oak Ridge têm energias ligeiramente mais altas do que as feitas nos reatores. Como resultado, a detecção de neutrinos do reator foi ainda mais desafiadora, diz ela. Mas os neutrinos de menor energia também permitem um teste mais preciso do modelo padrão de física.
O detector coerente de Scholberg foi o primeiro a explorar um fenômeno chamado dispersão coerente, na qual um neutrino ‘espalha’ de um núcleo atômico inteiro, em vez das partículas constituintes do átomo.
A dispersão coerente usa o fato de que as partículas da matéria podem atuar como ondas – e quanto menor a energia das partículas, maior o seu comprimento de onda, diz Christian Buck, líder da colaboração da Conus. Se o comprimento de onda de um neutrino é semelhante ao diâmetro do núcleo, “então o neutrino vê o núcleo como uma coisa. Ele não vê a estrutura interna”, diz Buck, que é físico no Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg, Alemanha. O neutrino não interage com nenhuma partícula subatômica, mas faz com que o núcleo recupere – depositando uma pequena quantidade de energia no detector.
Vistando um núcleo
A dispersão coerente ocorre mais de 100 vezes mais que as interações usadas em outros detectores, onde o neutrino ‘vê’ um núcleo como uma coleção de partículas menores com espaço vazio no meio. Essa eficiência mais alta significa que os detectores podem ser menores e ainda detectar um número semelhante de partículas no mesmo período. “Agora você pode se dar ao luxo de construir detectores na escala de quilograma”, diz Buck.
A desvantagem é que os neutrinos depositam muito menos energia no núcleo. O recuo induzido em um núcleo por um neutrino é comparável ao produzido em um navio por uma bola de pingue-pongue, diz Buck-e até os últimos anos foi extremamente desafiador para medir.
O detector Conus é feito de quatro módulos de germânio puro, cada um pesando 1 kg. Ele operava em um reator nuclear na Alemanha de 2018 até que o reator foi fechado em 2022. A equipe então moveu o detector, atualizou para a Conus+, para a usina nuclear de Leibstadt, na Suíça. A partir do novo local, a equipe agora relata ter visto cerca de 395 eventos de colisão em 119 dias de operação – consistente com as previsões do modelo padrão de física de partículas.
Após o resultado histórico de Coerent 2017, obtido com detectores feitos de iodeto de césio, a equipe de Scholberg repetiu o feito com detectores feitos de argônio e germânio. Separadamente, no ano passado, duas experiências originalmente projetadas para caçar matéria escura relataram ter visto dicas de dispersão coerente de baixa energia de neutrinos produzidos pelo Sol. Scholberg diz que o modelo padrão faz previsões muito limpas da taxa de dispersão coerente e como ele muda com diferentes tipos de núcleo atômico, tornando crucial comparar os resultados de tantos materiais de detecção quanto possível. E se a sensibilidade da técnica melhorar ainda mais, a dispersão coerente poderá ajudar a avançar o estado da arte da ciência solar.
Os pesquisadores dizem que a dispersão coerente provavelmente não substituirá completamente nenhuma tecnologias existentes para detectar neutrinos. Mas pode identificar todos os três tipos conhecidos de neutrinos (e suas antipartículas correspondentes) até energias baixas, enquanto algumas outras técnicas podem capturar apenas um tipo. Essa habilidade significa que poderia complementar detectores maciços que visam capturar neutrinos em energias mais altas, como o Observatório Hyper-Kamiokande agora em construção no Japão.
Este artigo é reproduzido com permissão e foi publicado pela primeira vez em 30 de julho de 2025.