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Detector japonês gigante prepara-se para capturar neutrinos de supernovas
Atualizações recentes no observatório de neutrinos Super-Kamiokande permitirão rastrear a história da explosão de estrelas.
Publicada em 2019-02-28
Modificada em 2019-02-27
Modificada em 2019-02-27
HISTÓRIA COMPLETA
.Pela primeira vez em mais de uma década, entre junho e janeiro, a água foi drenada do detector como parte de uma reforma de ¥ 1,1 bilhão (US $ 10 milhões). Entre outras coisas, a atualização permitirá à Super-K caçar neutrinos emitidos por supernovas remotas, explosões que ocorrem quando uma estrela envelhecida entra em colapso sob seu próprio peso. Os astrônomos querem que esses dados entendam melhor a história das supernovas no Universo - mas os neutrinos emitidos por eles são difíceis de detectar.
“A cada 2 ou 3 segundos, uma supernova dispara em algum lugar do Universo e produz 10 58 neutrinos”, diz Masayuki Nakahata, que lidera o Super-K, uma colaboração internacional liderada pelo Japão e pelos Estados Unidos. Com a atualização, o detector deve ser capaz de contar alguns desses neutrinos 'relíquia' todo mês, diz Nakahata, que é físico na Universidade de Tóquio.
Super-K fica a 1.000 metros sob uma montanha perto de Hida, no centro do Japão. No interior, as moléculas de água captam neutrinos que fluem através do solo, do Sol e da atmosfera, ou que são emitidos por um acelerador de partículas a centenas de quilômetros de distância. Ainda este ano, o observatório adicionará o gadolínio de metal de terras raras à água. Isso tornará o detector muito melhor na distinção entre diferentes tipos de 'neutrinos', de neutrinos, bem como suas antipartículas, antineutrinos.
Em 1987, o detector Kamiokande, o menor predecessor da Super-K, detectou os primeiros neutrinos de uma supernova. A dúzia de neutrinos veio da Supernova 1987A, que ocorreu na Grande Nuvem de Magalhães, uma pequena galáxia que orbita a Via Láctea. O experiente chefe, Masatoshi Koshiba, dividiu o prêmio de física do Nobel em 2002 em parte por essa descoberta . Mas nenhum neutrino foi ligado a uma supernova desde então.
A maioria dos neutrinos solares se revelam ao derrubar um elétron de uma molécula de água em alta velocidade, produzindo assim um leve clarão de luz (que é o que os 'olhos' de Super-K vêem). Mas outros neutrinos - e, em particular, os antineutrinos que constituem a maior parte das emissões de supernova - interagem com um próton em um núcleo atômico em vez de um elétron. Essa colisão libera um nêutron e um pósitron, a versão de antimatéria do elétron. O sinal do pósitron é difícil de distinguir do detector de um elétron de um neutrino solar. Mas o nêutron produz sua própria assinatura - um raio-y - quando capturado por outro núcleo.
Novo poder
Os núcleos de gadolínio são muito mais eficazes do que os núcleos de hidrogênio ou oxigênio da água na captura desses nêutrons dispersos, e os raios γ que eles produzem são mais fáceis de serem detectados pelo Super-K, como outro clarão de luz. Assim, quando um antineutrino atinge, o Super-K não vê um flash mas dois, alguns microssegundos separados.
John Beacom, um astrofísico teórico da Ohio State University em Columbus, e Mark Vagins, um experimentalista do Super-K agora no Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo em Kashiwa, no Japão, tiveram a idéia de adicionar o gadolínio ao Super -K no início dos anos 2000 1 . O gadolínio foi usado em experimentos menores com neutrinos, mas nunca em um detector de água.
'Quando começamos, todos com quem conversamos nos deram uma lista de dez razões pelas quais seria impossível', diz Beacom. O maior desafio, diz Vagins, era se a água do detector poderia ser continuamente filtrada para remover as impurezas sem remover o gadolínio ao mesmo tempo. Ele liderou um esforço de uma década para demonstrar que a ideia poderia funcionar, o que envolveu a construção de um detector de neutrinos de US $ 6 milhões, chamado humourously Evaluating Gadolinium's Action on Detector Systems (EGADS). Uma parte crucial desse esforço exigiu a invenção de um novo tipo de sistema de água.
Em 2015, a Beacom e a Vagins convenceram a colaboração a incluir o gadolínio na próxima atualização. Essa parte da renovação é oficialmente conhecida como Detector de Antineutrino de Gadolinium Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super! (GADZOOKS!), Ponto de exclamação incluído. (Como Egads, Gadzooks é freqüentemente usado em quadrinhos de super-heróis para denotar surpresa.)
Super-K já foi um enorme sucesso. Em 1998, dois anos após o início das operações, o detector forneceu a primeira evidência sólida de que os neutrinos e antineutrinos podem 'oscilar' ou alternar entre três sabores. A descoberta forçou os teóricos a emendar o modelo padrão de física de partículas - a explicação das partículas e forças do Universo - e levantou uma série de novas questões. (Takaaki Kajita, que é colega de Nakahata e ex-líder do Super-K, dividiu o prêmio Nobel de física de 2015 por sua descoberta da oscilação de neutrinos.)
'Super-K tem sido tão influente na física de partículas, se não mais influente, do que o LHC, o colisor no CERN que descobriu o bóson de Higgs', diz Janet Conrad, física de neutrinos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, em Cambridge.
“Estou empolgado com o fato de a Super-K estar iniciando com o dopamento com gadolínio agora. Eu acho que a física é muito emocionante ”, diz Conrad. “Também estou feliz por meus amigos Mark Vagins e John Beacom. Muitas pessoas disseram que isso não poderia ser feito por muitas razões. ”
Hyper-K
Mesmo quando o Super-K começa de novo, os físicos japoneses estão pressionando por um irmão ainda maior chamado Hyper-Kamiokande . A Universidade de Tóquio apostou no projeto de 55 bilhões de ienes, e os pesquisadores agora estão esperando para saber se o governo nacional irá financiá-lo. A decisão é esperada para agosto.
“Nosso objetivo é iniciar a construção do Hyper-K em dois anos, e então começar a operar em 2027”, diz o líder do projeto, Masato Shiozawa, físico da universidade e membro de longa data da colaboração Super-K.
O tanque da Hyper-K comportaria 260.000 toneladas de água, mais de cinco vezes o que o Super-K's. Seu tamanho tornaria muito mais eficaz a detecção de supernovas, mas também deveria ajudá-lo a investigar outro mistério cósmico: por que o Universo parece ser feito primariamente de matéria, com pouca antimatéria por perto.
Um passo crucial para entender essa diferença, dizem os teóricos, é medir uma assimetria entre neutrinos e antineutrinos, especificamente uma diferença na velocidade com que os antineutrinos circulam através de seus três sabores, em comparação com os neutrinos. Super-K já viu fortes indícios de tal diferença, usando neutrinos disparados através da crosta terrestre a partir de um acelerador de partículas, mas o Hyper-K seria capaz de fazer medições muito mais precisas.
FONTE: Gigantic Japanese detector prepares to catch neutrinos from supernovae
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