Os fotossensores do Super Kamiokande detectam os neutrinos como flashes de luz. Crédito: Asahi Shimbun/Getty
Onze mil olhos laranja gigantes confrontam os poucos sortudos que entraram no observatório de neutrinos subterrâneos Super-Kamiokande no Japão – de longe o maior detector de neutrinos deste tipo no mundo. Uma chance de ver esses sensores de luz é rara porque eles geralmente estão submersos em 50.000 toneladas de água purificada. Mas uma grande renovação do Super-K que foi concluída em janeiro ofereceu uma rara chance de espreitar dentro desta grande catedral da ciência.
Pela primeira vez em mais de uma década, entre junho e janeiro, a água foi drenada do detector como parte de uma renovação de ¥1,1-bilhão (US$10 milhões). Entre outras coisas, o upgrade permitirá ao Super-K caçar os neutrinos emitidos por supernovas remotas, explosões que ocorrem quando uma estrela envelhecida cai sob seu próprio peso. Os astrônomos querem que esses dados entendam melhor a história das supernovas no Universo – mas os neutrinos que elas emitem têm sido difíceis de detectar.
“A cada 2-3 segundos, uma supernova explode em algum lugar do Universo, e produz 1058 neutrinos”, diz Masayuki Nakahata, que lidera o Super-K, uma colaboração internacional liderada pelo Japão e pelos Estados Unidos. Com a actualização, o detector deverá ser capaz de contar alguns destes ‘relíquias’ neutrinos todos os meses, diz Nakahata, que é físico da Universidade de Tóquio.
Super-K fica 1.000 metros debaixo de uma montanha perto de Hida, no centro do Japão. No interior, as moléculas de água capturam os neutrinos que correm pelo solo a partir do Sol e da atmosfera, ou que são transportados de um acelerador de partículas a centenas de quilómetros de distância. No final deste ano, o observatório adicionará à água o gadolínio metálico de terras raras. Isto tornará o detector muito melhor na distinção entre diferentes tipos, ou ‘sabores’, de neutrino, bem como as suas antipartículas, antineutrinos.
Em 1987, o detector Kamiokande, o predecessor menor do Super-K, detectou os primeiros neutrinos de uma supernova. A dúzia de neutrinos veio de Supernova 1987A, que ocorreu na Grande Nuvem de Magalhães, uma pequena galáxia que orbita a Via Láctea. O experimentador chefe Masatoshi Koshiba compartilhou o Prêmio Nobel de Física de 2002 em parte por essa descoberta. Mas nenhum neutrino foi ligado a uma supernova desde então.
Físico Masayuki Nakahata dentro do detector Super-K. Crédito: Noah Baker/Nature
Os neutrinos solares revelam-se ao derrubar um electrão de uma molécula de água a alta velocidade, produzindo assim um ligeiro clarão de luz (que é o que os ‘olhos’ do Super-K vêem). Mas outros neutrinos – e, em particular, os antineutrinos que constituem a maior parte das emissões de supernovas – interagem com um próton num núcleo atómico em vez de o fazerem com um electrão. Esta colisão libera um nêutron e um positron, a versão antimatéria do elétron. O sinal do positron é difícil para o detector distinguir o de um elétron de um neutrino solar. Mas o nêutron produz sua própria assinatura – um raio γ – quando capturado por outro núcleo.
Nova potência
Núcleos de gadolínio são muito mais eficazes do que os núcleos de hidrogênio ou oxigênio da água na captura desses nêutrons perdidos, e os raios γ que eles produzem são mais fáceis de serem detectados pelo Super-K, como outro raio de luz. Assim, quando um antineutrino atinge, o Super-K verá não um flash, mas dois, com alguns microssegundos de diferença.
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, Japão, tiveram a ideia de adicionar gadolínio ao Super-K no início dos anos 20001. O gadolínio tinha sido 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 isso seria impossível”, diz Beacom. O maior desafio, diz Vagins, era se a água do detector poderia ser filtrada continuamente para remover as impurezas sem remover o gadolínio ao mesmo tempo. Ele liderou um esforço de uma década para demonstrar que a idéia poderia funcionar, o que envolveu a construção de um detector de neutrinos no valor de 6 milhões de dólares, chamado humoristicamente Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems (EGADS). Uma parte crucial desse esforço exigiu a invenção de um novo tipo de sistema de água.
Até 2015, Beacom e Vagins haviam persuadido a colaboração a incluir o gadolínio na próxima atualização. Essa parte da renovação é conhecida oficiosamente como Gadolinium Antineutrino Detector Zelosamente Superando o Velho Kamiokande, Super! (GADZOOOKS!), ponto de exclamação incluído. (Como Egads, Gadzooks é frequentemente usado em quadrinhos de super-herói para denotar surpresa.)
Super-K já foi extremamente bem sucedido. Em 1998, dois anos após o início das operações, o detector forneceu a primeira evidência sólida de que neutrinos e antineutrinos podem ‘oscilar’, ou ciclo, entre três sabores. A descoberta forçou os teóricos a alterar o modelo padrão da física das partículas – a explicação das partículas e forças do Universo – e levantou uma série de novas questões. (Takaaki Kajita, que é colega de Nakahata e antigo líder da Super-K, partilhou o Prémio Nobel da Física de 2015 pela sua descoberta da oscilação de neutrinos.)
“O Super-K tem sido tão influente na física das partículas, se não mais influente, como o LHC, o colisor do CERN que descobriu o bosão Higgs”, diz Janet Conrad, uma física de neutrinos do Massachusetts Institute of Technology em Cambridge.
“Estou entusiasmada por o Super-K estar agora a começar com o doping do gadolínio. Eu acho a física muito excitante”, diz Conrad. “Também estou feliz pelos meus amigos Mark Vagins e John Beacom”. Houve muitas pessoas que disseram que isto não poderia ser feito por muitas razões”
Hyper-K
Even como o Super-K começa de novo, os físicos japoneses estão pressionando por um irmão ainda maior chamado Hyper-Kamiokande. A Universidade de Tóquio está a apoiar o projecto de ¥55 biliões e os investigadores estão agora à espera para saber se o governo nacional o vai financiar. Uma decisão é esperada em agosto.
“Nosso objetivo é iniciar a construção do Hyper-K em dois anos, e depois começar a operar em 2027”, diz o líder do projeto Masato Shiozawa, um físico da universidade e membro de longa data da colaboração Super-K.
O tanque do Hyper-K comportaria 260.000 toneladas de água, mais de cinco vezes mais do que o do Super-K. O seu tamanho total torná-lo-ia muito mais eficaz na detecção de supernovas, mas também deveria ajudá-lo a investigar outro mistério cósmico: porque é que o Universo parece ser feito principalmente de matéria, com pouca antimatéria por volta.
Um passo crucial para compreender esta diferença, dizem os teóricos, é medir uma assimetria entre neutrinos e antineutrinos, especificamente uma diferença na velocidade a que os antineutrinos percorrem os seus três sabores, versus a dos neutrinos. O Super-K já viu fortes indícios de tal diferença, usando neutrinos disparados através da crosta terrestre de um acelerador de partículas, mas o Hyper-K seria capaz de fazer medições muito mais precisas.