Físicos detectam ‘partículas fantasmas’ elusivas no LHC pela primeira vez

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Impressão abstrata de um colisor de partículas. Créditos: Akinshin / iStock / Getty Images Plus.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Um marco importante na física de partículas acaba de ser alcançado no Grande Colisor de Hádrons (LHC).

Pela primeira vez, candidatos a neutrinos foram detectados, não apenas no LHC, mas em qualquer colisor de partículas.

As seis interações de neutrinos, detectadas usando o subdetector de neutrinos FASERnu, não apenas demonstram a viabilidade da tecnologia, mas abrem um novo caminho para estudar essas partículas misteriosas, particularmente em altas energias.

“Antes deste projeto, nenhum sinal de neutrinos foi visto em um colisor de partículas”, disse o físico Jonathan Feng, da Universidade da Califórnia em Irvine, colíder da Colaboração FASER. “Este avanço significativo é um passo em direção ao desenvolvimento de uma compreensão mais profunda dessas partículas elusivas e do papel que desempenham no Universo”.

Os neutrinos estão em toda parte. Eles são uma das partículas subatômicas mais abundantes do Universo; mas eles não carregam carga e têm massa quase zero, portanto, embora fluam através do Universo quase à velocidade da luz, eles quase não interagem com ele. Bilhões de coisas estão fluindo através de você agora. Para um neutrino, o resto do Universo é basicamente incorpóreo; é por isso que eles também são conhecidos como partículas fantasmas.

Embora eles interajam raramente, isso não é o mesmo que nunca. Detectores como IceCube na Antártica, Super-Kamiokande no Japão e MiniBooNE no Fermilab em Illinois, Estados Unidos, usam matrizes fotodetectoras sensíveis projetadas para captar as rajadas de luz que emergem quando um neutrino interage com outras partículas em um ambiente completamente escuro, por exemplo.

Mas, há muito tempo, os cientistas queriam estudar também neutrinos produzidos em aceleradores de partículas. Isso porque os neutrinos do colisor, que emergem principalmente da decomposição dos hádrons, são produzidos com energias muito altas, que não são muito bem estudadas. A detecção de neutrinos do colisor fornece acesso a energias e tipos de neutrinos que raramente são vistos em outros lugares.

FASERnu é conhecido como detector de emulsão. Placas de chumbo e tungstênio são alternadas com camadas de emulsão: durante os experimentos de partículas no LHC, os neutrinos podem colidir com núcleos nas placas de chumbo e tungstênio, produzindo partículas que deixam rastros nas camadas de emulsão, um pouco como a radiação ionizante faz rastros em uma câmara de nuvens.

As placas precisam ser reveladas como filme fotográfico. Então, os físicos podem analisar os rastros das partículas para descobrir o que os produziu; se era um neutrino e qual era o “sabor” ou tipo do neutrino. Existem três sabores de neutrino – elétron, múon e tau – assim como seus equivalentes antineutrino.

Na execução inicial do FASERnu conduzida em 2018, seis interações de candidatos a neutrinos foram registradas nas camadas de emulsão. Isso pode não parecer muito, considerando quantas partículas são produzidas em uma execução no LHC, mas deu à colaboração duas informações vitais.

“Em primeiro lugar, verificou-se que a posição à frente do ponto de interação ATLAS no LHC é o local certo para detectar neutrinos do colisor”, disse Feng. “Em segundo lugar, nossos esforços demonstraram a eficácia do uso de um detector de emulsão para observar esses tipos de interações de neutrino”.

O detector inicial era um aparelho relativamente pequeno, com cerca de 29 kg. A equipe está trabalhando atualmente na versão completa, cerca de 1.100 kg. Este instrumento será significativamente mais sensível e permitirá aos pesquisadores diferenciar entre sabores de neutrino e seus equivalentes de antineutrino.

Eles estão esperando que a terceira execução de observação do Grande Colisor de Hádrons produza 200 bilhões de neutrinos de elétrons, 6 trilhões de neutrinos de múons e 9 bilhões de neutrinos de tau, e seus antineutrinos. Como detectamos apenas cerca de 10 neutrinos tau, no total, até agora, isso será grandioso.

A colaboração também está de olho em presas ainda mais elusivas. Eles têm esperanças na detecção de fótons escuros, que no momento são hipotéticos, mas que podem ajudar a revelar a natureza da matéria escura, a misteriosa massa diretamente indetectável que constitui a maior parte da matéria do Universo.

Mas as detecções de neutrinos por si só são um passo tremendamente empolgante para a nossa compreensão dos componentes fundamentais do Universo.

“Dada a potência de nosso novo detector e sua localização privilegiada no CERN, esperamos ser capazes de registrar mais de 10.000 interações de neutrinos na próxima execução do LHC, começando em 2022”, disse o físico e astrônomo David Casper, da Universidade de Califórnia, Irvine (EUA), colíder do projeto FASER. “Vamos detectar os neutrinos de mais alta energia que já foram produzidos a partir de uma fonte fabricada por humanos”.

A pesquisa da equipe foi publicada na Physical Review D.