Em 2018, um tanque com água mais pura, enterrado sob quilômetros de rocha em Ontário, Canadá, brilhou quando partículas quase imperceptíveis chamadas antineutrinos atingiram suas moléculas.

Foi a primeira vez que a água foi usada para detectar uma partícula conhecida como antineutrino, originária de um reator nuclear a mais de 240 quilômetros (150 milhas) de distância. Esta incrível inovação promete experimentos com neutrinos e tecnologia de monitoramento que utilizam materiais baratos, facilmente adquiridos e seguros.

Sendo algumas das partículas mais abundantes no Universo, os neutrinos são pequenas coisas estranhas com muito potencial para revelar insights mais profundos sobre o Universo. Infelizmente, eles são quase sem massa, não carregam carga e quase não interagem com outras partículas. Eles fluem principalmente pelo espaço e pelas rochas, como se toda a matéria fosse incorpórea. Há uma razão pela qual são conhecidas como partículas fantasmas.

Os antineutrinos são a contraparte antipartícula dos neutrinos. Normalmente, uma antipartícula tem carga oposta à de sua partícula equivalente; a antipartícula do elétron com carga negativa, por exemplo, é o pósitron com carga positiva. Como os neutrinos não carregam carga, os cientistas só podem diferenciá-los com base no fato de que um neutrino do elétron surgirá ao lado de um pósitron, enquanto um antineutrino do elétron aparecerá com um elétron.

Os antineutrinos de elétrons são emitidos durante o decaimento beta nuclear, um tipo de decaimento radioativo no qual um nêutron decai em um próton, um elétron e um antineutrino. Um desses antineutrinos de elétrons pode então interagir com um próton para produzir um pósitron e um nêutron, uma reação conhecida como decaimento beta inverso.

Grandes tanques cheios de líquido revestidos com tubos fotomultiplicadores são usados ​​para detectar esse tipo específico de decaimento. Eles foram projetados para capturar o brilho fraco da radiação Cherenkov criada por partículas carregadas que se movem mais rápido do que a luz pode viajar através do líquido, semelhante ao estrondo sônico gerado pela quebra da barreira do som. Portanto, eles são muito sensíveis à luz muito fraca.

Os antineutrinos são produzidos em quantidades prodigiosas por reatores nucleares, mas têm energia relativamente baixa, o que os torna difíceis de detectar.

Dentro da colaboração SNO+ enterrado sob mais de 2 quilômetros (1,24 milhas) de rocha, há o laboratório subterrâneo mais profundo do mundo. Esta blindagem rochosa fornece uma barreira eficaz contra a interferência dos raios cósmicos, permitindo aos cientistas obter sinais excepcionalmente bem demarcados.

Hoje, o tanque esférico de 780 toneladas do laboratório está cheio de alquilbenzeno linear, um cintilador líquido que amplifica a luz. Em 2018, enquanto a instalação estava em calibração, ela foi abastecida com água ultrapura.

Analisando os 190 dias de dados coletados durante a fase de calibração em 2018, a colaboração SNO+ encontrou evidências de decaimento beta inverso. O nêutron produzido durante esse processo é capturado por um núcleo de hidrogênio na água, que por sua vez produz um suave florescimento de luz em um nível de energia muito específico, 2,2 megaelétron-volts.

Os detectores de água Cherenkov geralmente lutam para detectar sinais abaixo de 3 megaelétron-volts; mas um SNO+ cheio de água foi capaz de detectar até 1,4 megaelétron-volts. Isso produz uma eficiência de cerca de 50% na detecção de sinais de 2,2 megaelétron-volts, então a equipe achou que valeria a pena procurar sinais de decaimento beta inverso.

Uma análise de um sinal candidato determinou que provavelmente foi produzido por um antineutrino, com um nível de confiança de 3 sigma – uma probabilidade de 99,7 por cento.

O resultado sugere que detectores de água poderiam ser usados ​​para monitorar a produção de energia de reatores nucleares.

Enquanto isso, o SNO+ está sendo utilizado para ajudar a entender melhor os neutrinos e antineutrinos. Como é impossível medir diretamente os neutrinos, não sabemos muito sobre eles. Uma das maiores questões é se neutrinos e antineutrinos são exatamente a mesma partícula. Um decaimento raro e nunca antes visto responderia a esta pergunta. A colaboração SNO+ está atualmente procurando por esse decaimento.

“Intriga-nos que água pura possa ser usada para medir antineutrinos de reatores e a distâncias tão grandes”, disse o físico Logan Lebanowski da colaboração SNO+ e da Universidade da Califórnia, Berkeley, em março de 2023.

“Fizemos um esforço significativo para extrair alguns sinais de 190 dias de dados. O resultado é gratificante.”

A pesquisa foi publicada na Physical Review Letters.

Por Michelle Starr
Publicado no ScienceAlert