Medida mais precisa da faixa de energia de partículas produzidas por reatores nucleares revela surpresas

Daya Bay detecta discrepâncias com as previsões teóricas para antineutrinos, fornecendo dados importantes para futuros experimentos

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Uma vista dentro dos detectores de partículas em Daya Bay, onde os tubos fotomultiplicadores medem sinais de antineutrinos. (Crédito da foto: Roy Kaltschmidt)

Artigo traduzido de Berkeley Lab. Autor: Glenn Roberts Jr.

Uma equipe internacional que inclui pesquisadores do Departamento de energia do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) dos EUA, capturou as mais precisas – e intrigantes _ medições de energia de partículas fantasmagóricas chamadas antineutrinos produzidos em um complexo de energia nuclear na China.

Suas medições, com base em dados gerados a partir da maior amostra do mundo de antineutrinos, indicam duas discrepâncias intrigantes com modelos teóricos. Estas discrepâncias, que irão ajudar a moldar futuros experimentos, poderia apontar para falhas nos modelos atuais e também levantam a possibilidade da presença de um tipo exótico de neutrino que não foi detectado antes.

Membros da Colaboração Daya Bay publicaram os resultados, com base em uma análise de mais de 300 mil antineutrinos produzidos em reatores nucleares coletados ao longo de 217 dias, em 12 de fevereiro na revista Physical Review Letters. A colaboração mediu a energia dos antineutrinos do reator com uma precisão sem precedentes, melhor do que 1%, através de uma ampla faixa de energia. A colaboração inclui mais de 200 cientistas de sete regiões e países.

Estudar o comportamento dos neutrinos indescritíveis, que podem passar desimpedidos através da maioria dos tipos de matéria, tem o potencial para destravar muitos segredos da física, incluindo detalhes sobre a história e destino do nosso universo. Neutrinos e antineutrinos estavam entre as partículas mais abundantes no momento do Big Bang, e ainda são gerados em abundância hoje nas reações nucleares nas estrelas e em colisões de raios cósmicos com a atmosfera da Terra. Trilhões de neutrinos passam por seu corpo a cada segundo.

Trabalhadores instalando uma Unidade de Calibração Manual em um detector de antineutrino em Daya Bay. Esta unidade era essencial para medir com precisão as energias dos antineutrino, conforme detalhado em um novo estudo. (Crédito da foto: Roy Kaltschmidt)
Trabalhadores instalando uma Unidade de Calibração Manual em um detector de antineutrino em Daya Bay. Esta unidade era essencial para medir com precisão as energias dos antineutrino, conforme detalhado em um novo estudo. (Crédito da foto: Roy Kaltschmidt)

Neutrinos, ou mais especificamente antineutrinos, também são emitidos como um subproduto da geração de energia em reatores nucleares, dando aos cientistas uma maneira poderosa para estudá-los na Terra de uma forma controlada. De fato, o estudo das partículas emitidas pelos reatores levou à primeira detecção dos neutrinos na década de 1950, uma descoberta antes considerada impossível devido à natureza extremamente inerte destas partículas, que eram até então somente previstas.

Desde então, os experimentos com reatores, incluindo aqueles em Daya Bay, têm desempenhado um papel crucial em revelar os segredos das oscilações dos neutrinos sua tendência para alternar entre os três sabores conhecidos: elétron, múon e tau e outras propriedades importantes.

A medição do fluxo de antineutrino de Daya Bay – o número total de antineutrinos emitidos em toda a faixa de energia – indica que os reatores estão produzindo 6% menos antineutrinos quando comparado com algumas das previsões baseadas em modelos. Esse déficit observado foi chamado de Reactor Antineutrino Anomaly“.

O resultado é consistente com as medições anteriores. A anomalia pode ser devido à imperfeição dos modelos. Ou, mais intrigante, ela poderia vir de uma oscilação envolvendo um neutrino estéril, disse Kam-Biu Luk, cientista sênior do corpo docente da divisão de física do laboratório de Berkeley e professor de física na Universidade de Berkeley. Ele também é o co-porta-voz da Colaboração Daya Bay. Se o chamado neutrino estéril, postulado por algumas teorias mas ainda não detectado, existe ou não, ainda é uma questão em aberto.

A medição do espectro dos antineutrinos do reator também mostra um excesso surpreendente de antineutrinos na energia de cerca de 5 milhões de elétron-volts (MeV) em comparação com as expectativas teóricas.

O desacordo entre a medida e os cálculos teóricos é cerca de 10%, correspondendo a uma significância estatística de até quatro desvios-padrão“, comentou Patrick Tsang, pós-doutorado da Divisão de Física do Berkeley Lab, que desempenhou um papel fundamental nas medições. Dois outros experimentos mostraram um excesso semelhante nesta energia, embora com menos precisão do que o novo resultado do Daya Bay.

Estes quatro detectores de Daya Bay estão submersos em uma piscina de água ultrapura, que ajuda a proteger contra a ocorrência natural de radiação. (Foto por Roy Kaltschmidt / Berkeley Lab)
Estes quatro detectores de Daya Bay estão submersos em uma piscina de água ultrapura, que ajuda a proteger contra a ocorrência natural de radiação. (Foto por Roy Kaltschmidt / Berkeley Lab)

Tais desvios mostram a importância da medição direta do espectro dos antineutrinos do reator, especialmente para experimentos que utilizam o espectro para medir oscilações de neutrinos, e podem indicar a necessidade de rever os modelos subjacentes aos cálculos.

Um cálculo recente do espectro com base nas medições compiladas de milhares de isótopos envolvidos no processo de fissão mostrou uma melhor concordância com as observações“, disse Dan Dwyer, cientista da equipe da Divisão de Física do Berkeley Lab, “e sugeriu que o excesso de antineutrinos vem de específicos oito núcleos de curta duração“.

Espera-se que a medição do Daya Bay melhore com mais dados e uma melhor compreensão da resposta do detector. Estas medições melhoradas serão essenciais para a próxima geração de experiências dos neutrinos do reator, como o experimento JUNO sendo construído a 200 quilômetros de Daya Bay.

Um fator crucial para muitas destas experiências é saber como muitos antineutrinos são emitidos nessas reações nucleares, e quantos estão sendo produzidos em energias particulares, conhecida como distribuição de energia ou espectro.

Em estudos anteriores, os cientistas se basearam em cálculos ou outros meios indiretos, tais como medições de espectro de elétrons produzidos pelos combustíveis do reator, para estimar esses números. Estes métodos têm forte dependência de modelos teóricos dos complexos processos de fissão no núcleo do reator.

Um reservatório detector, antes da instalação em Daya Bay. (Foto por Roy Kaltschmidt / Berkeley Lab)
Um reservatório detector, antes da instalação em Daya Bay. (Foto por Roy Kaltschmidt / Berkeley Lab)

A colaboração Daya Bay agora forneceu a medição independente do modelo mais preciso do espectro de energia dessas partículas indescritíveis, e uma nova medição do fluxo total de antineutrinos. A parte mais difícil deste trabalho foi calibrar com precisão a resposta de energia dos detectores.

A medição precisa da energia dos antineutrinos foi uma das chaves para esse resultado. Nós cuidadosamente quantificamos a resposta energética dos nossos detectores usando vários métodos de calibração , disse Yasuhiro Nakajima, colega de Chamberlain na Divisão de Física de Berkeley Lab.

O complexo nuclear de Daya Bay está localizado na costa sul da China, 55 km a nordeste de Hong Kong. É composto por três usinas nucleares, cada ums com dois núcleos de reatores. Todos os seis núcleos estão em reatores de água pressurizada com desenho semelhante, e cada um pode gerar até 2,9 gigawatt de energia térmica. A cada segundo, os seis reatores emitem 3500 bilhões de bilhões de antineutrinos do sabor elétron. Para esta medição, o experimento Daya Bay utilizou seis detectores localizados entre 360 metros e 1,9 km dos reatores. Cada detector contém 20 toneladas de um líquido cintilante com gadolínio para detectar os antineutrinos do reator.

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