Por volta de 2010, o físico Juan Estrada, do Laboratório Fermi National Accelerator, do Departamento de Energia dos EUA, estava trabalhando em um instrumento de astrofísica chamado Levantamento de Energia Escura. A câmera foi projetada para examinar uma grande faixa do céu meridional e fornecer imagens que pudessem dar uma visão sobre a matéria escura e a energia escura, conhecidas por moldar a estrutura e a aparência de todo o universo.
Os notáveis sensores do Levantamento de Energia Escura estavam lhe dando uma ideia. Eles ficaram tão sensíveis que poderiam ser capazes de detectar outras partículas além da luz. Parecia possível que eles pudessem até mesmo captar os ‘sussurros’ de partículas fugidias chamadas neutrinos.
Isso seria feito por meio de um processo chamado CEνNS (pronuncia-se “sevens”, em inglês) -- espalhamento elástico coerente do núcleo do neutrino --, no qual neutrinos de uma energia particularmente baixa podem colidir diretamente com os átomos da matéria.
Dez anos depois, depois de muito trabalho, Estrada e uma equipe de mais de 30 físicos e engenheiros estão próximos de realizar seu objetivo. Sua câmera de neutrino, a primeira do gênero, entrou em operação em dezembro de 2014 no reator Angra 2, da Usina Nuclear de Angra, única desse gênero no Brasil. A câmera se chama CONNIE, sigla amigável para Coherent Neutrino Nucleus Interaction Experiment, em inglês.
De DECam a CONNIE
O sucesso do CONNIE depende dos sensores usados no Levantamento de Energia Escura, conhecidos como dispositivos de acoplamento por cargas (CCDs). Os CCDs são uma tecnologia central por trás das câmeras digitais, usadas em tudo, desde o Telescópio Espacial Hubble até telefones celulares. Nos últimos cinco anos, Estrada e seus colegas fizeram avanços significativos no design do CCD. O financiamento para o CONNIE veio do programa de pesquisa e desenvolvimento sob responsabilidade do Laboratório Fermilab e de instituições participantes na Argentina, no Brasil, México, Paraguai e na Suíça.
Quando o CONNIE fizer sua próxima atualização, prevista para 2021, seus pesquisadores provavelmente deverão detectar finalmente os neutrinos de Angra, por meio do CEνNS, processo semelhante ao choque de bolas de bilhar.
Os neutrinos são extremamente estranhos quando comparados à maioria das outras partículas elementares. São onipresentes, criados em todos os tipos de reações nucleares, tal como reações de fusão que ocorrem no Sol. Mas eles são notoriamente fugidios, mal interagindo com nada. Um trilhão de neutrinos solares passa pela sua mão a cada segundo, mas, durante toda a sua vida, apenas cerca de mil vão ‘tocá-lo’ – e isso de forma imperceptível.
As medições de neutrinos que os cientistas esperam fazer com o detector CONNIE podem acabar servindo a um dos objetivos originais de Estrada: aprender mais sobre a matéria escura, que compõe a massa de 85% do universo.
Muitos modelos que preveem a existência de partículas de matéria escura de baixa massa também preveem que os neutrinos são mais propensos a interagir com a matéria do que o esperado. O CONNIE testará essas previsões com base na contagem de neutrinos capturados fora do reator de Angra. Uma contagem maior do que a esperada, por exemplo, daria suporte indireto a esses tipos de modelos de matéria escura.
“A ideia de detectar matéria escura realmente desperta minha curiosidade todos os dias”, diz Estrada. “Ao mesmo tempo, sou uma pessoa que realmente gosta de construir coisas.”
A ideia de construir seu experimento em um reator veio do reconhecimento de que os reatores produzem um grande fluxo de neutrinos de baixa energia (cerca de 1 MEV). Estrada e sua equipe previram que seus CCDs sensíveis deveriam detectar pelo menos algumas partículas vindos dessa enorme fonte. Mas, quando eles pensaram em colocar seu experimento em um reator, perceberam que teriam que passar por uma quantidade desafiadora de restrições de segurança e acesso.
Felizmente, João Carlos dos Anjos, diretor do Observatório Nacional, no Brasil, já fazia um experimento em um contêiner na usina nuclear de Angra. Membros da equipe brasileira no novo projeto CONNIE se conectaram com dos Anjos e, com a ajuda dele, o CONNIE tornou-se ‘colega de quarto’ do experimento já existente.
Após cinco anos de desenvolvimento no local, CONNIE, agora, atingiu o estágio em que pode ser totalmente operado de forma remota por meio da Internet. Mas a intervenção física ainda é ocasionalmente necessária; por exemplo, os aparelhos de ar-condicionado podem falhar -- e falham no calor brasileiro.
Estudando neutrinos do reator
O local da instalação nuclear de Angra fica a quatro horas de carro, a oeste do Rio de Janeiro, ao longo de estradas íngremes que abraçam a costa litorânea e passam por montanhas. Os veículos pesados tornam as estradas perigosas, mas a área é considerada uma das mais bonitas da região.
O grande contêiner qua abriga o CONNIE parece tão grande quanto um mosquito, quando comparado com a gigante cúpula branca de contenção do reator de Angra 2. O próprio CONNIE é pequeno e compacto. Muitos outros experimentos que detectam neutrinos usam enormes recipientes de líquido, pesando toneladas. Quanto maior o alvo que o líquido apresentar, maior é a probabilidade de se capturar um neutrino.
Em contraste, a pilha de 14 CCDs que o CONNIE usa parece um conjunto de pequenas placas sofisticadas, pesando menos de um quilo. Mas o que falta às placas no quesito massa, elas têm em sensibilidade - a capacidade delas de testemunharem a passagem das partículas.
Quando as partículas passam pelos CCDs da CONNIE e interagem com seu material, os sensores geram uma carga elétrica, como baldes de chuva pegando água. Isso ocorre porque os CCDs são, na verdade, chips impressos de silício; as partículas que chegam arrancam elétrons dos átomos de silício dos chips ou colidem contra os núcleos, que, por sua vez, arrancam elétrons de outros átomos. Algumas vezes por dia, os pesquisadores ativam o circuito do CCD, que, por sua vez, esvazia essa carga, cuja quantidade se correlaciona com o número de partículas que passaram pelo CCD.
No entanto, a maior parte dessa carga é criada por partículas de fundo que não são neutrinos, como os raios cósmicos, que se originam na atmosfera e atingem o detector. Para saber quanto da carga coletada é causada por neutrinos, os físicos comparam as contagens de CCD quando o reator está ligado - e quando os neutrinos estão sendo emitidos - com as contagens quando o reator está desligado. (O reator é desligado um a cada 14 meses para manutenção de rotina.) Se o CONNIE estiver realmente capturando neutrinos do reator, deve-se notar uma queda nas interações quando o reator estiver desligado.
“A estratégia de análise é ‘reator ligado’ menos ‘reator desligado’, subtraindo a contribuição do fundo, e a hipótese que você está fazendo é que o fundo não muda ao longo do tempo”, diz Carla Bonifazi, professora da Universidade Federal do Rio de Janeiro no Brasil, um dos cientistas que lideram localmente o experimento.
Embora o processo de detecção ainda não tenha revelado os neutrinos do reator, os pesquisadores estão cada vez mais atentos aos obstáculos.
Skipper CCDs
Os CCDs que os especialistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e do Fermilab projetaram inicialmente para o CONNIE eram extraordinariamente grossos e largos. Isso deu aos neutrinos de baixa energia bastante espaço para colidir com ou espalhar átomos por meio do processo CEνNS já mencionado. E quando esses neutrinos fazem os átomos de silício do CCD recuar, eles têm a chance de arrancar elétrons de outros átomos - uma carga elétrica que pode ser medida.
Mas, por causa da baixa massa e baixa energia dos neutrinos que chegam, os átomos tendem a recuar muito fracamente a ponto de eliminar elétrons de outros átomos vizinhos. Acertar um átomo de silício com um neutrino do reator é comparável a jogar uma bola de pingue-pongue em um caminhão - isso cria apenas um pequeno ‘arremedo’ de recuo.
O processo CEνNS foi previsto teoricamente há mais de 40 anos, mas só foi medido pela primeira vez em 2017 na Fonte de Nêutrons de Espalação no Laboratório Nacional de Oak Ridge, como parte de um projeto conhecido como COHERENT.
“O CONNIE está tentando fazer algo ainda mais desafiador [do que COHERENT], e será realmente incrível quando eles tiverem sucesso”, disse Kate Scholberg, professora na Universidade Duke e porta-voz da COHERENT. “Eles estão procurando neutrinos de reatores nucleares que são muito copiosos, mas com energia menor por um fator de 10, de modo que eles causam recuos incrivelmente minúsculos.”
Por causa do design inovador dos CCDs do CONNIE, os cientistas previram que a primeira fase de funcionamento do detector, em 2016, capturaria neutrinos, mas acabou acontecendo um problema inesperado. Às vezes, os núcleos recuados no CCD eliminam elétrons, mas também fazem vibrar todo o sensor do CCD, como uma bola de pingue-pongue que atinge um caminhão, mas transfere sua energia diretamente para o solo onde o caminhão se encontra. Esse processo reduz ou extingue a energia de recuo disponível para arrancar elétrons.
A extinção observada nos resultados em 2019 acabou sendo maior do que a prevista, por um fator de cinco a 10, e o sinal gerado pelos neutrinos era, portanto, indistinguível do ruído elétrico. O CONNIE foi sensível o suficiente para mostrar apenas que as interações esperadas com neutrino estavam presents não mais do que 40 vezes. Para se tornar muito mais sensível, os pesquisadores descobriram como se livrar do ruído.
Guillermo Moroni ingressou na equipe de Estrada em 2011 como aluno de doutorado na Universidad Nacional del Sur na Argentina. Em 2011, ele conduziu um estudo sobre como projetar um CCD moderno com quase nenhum ruído de leitura, conhecido como “skipper CCD”.
“Foi inventado pela primeira vez nos anos 90, mas ninguém o usou por 20 anos”, diz Moroni. “O problema é que é muito difícil de operar. A maior parte do tempo, passamos tentando entender como operar o sensor.” Nos últimos anos, Moroni também liderou o desenvolvimento de sua eletrônica de leitura.
O skipper CCD usa um princípio notavelmente elegante para reduzir o ruído. A carga induzida pelo neutrino que se acumula no sensor é movida para uma espécie de área de retenção, onde pode ser medida, movida de volta para fora, movida de volta para dentro e, então, medida novamente. Assim, a carga pode ‘saltar’ para dentro e para fora repetidamente, por milhares de vezes. Isso retarda o processo de leitura, mas elimina praticamente todo o ruído, assim como rolar um dado mais e mais vezes pode aumentar a confiança na ‘honestidade’ do dado.
Com um skipper CCD, mesmo os menores recuos que eliminam apenas um único elétron podem ser medidos com precisão. Outro experimento chamado SENSEI já está usando os skipper CCDs para obter resultados “incríveis”, diz Moroni.
Os cientistas do CONNIE planejam ter seu skipper atualizado no ano que vem. Então, o detector deverá começar a capturar neutrinos e medir suas interações com a matéria, fornecendo uma nova e poderosa fonte de dados para a busca de fenômenos, como a matéria escura, não descritos pelo Modelo Padrão.
Pesquisadores do CONNIE de países como Argentina, Brasil, México, Paraguai e EUA estão também trabalhando para melhorá-lo de outras maneiras. Eles esperam movê-lo para dentro da cúpula de contenção do reator, para que o detector possa experimentar um fluxo ainda maior de neutrinos, seja de Angra, seja de outro reator na Argentina.
“Está claro que CONNIE é o experimento de física de partículas mais significativo do Brasil”, diz Bonifazi. “Isso nos coloca na linha de frente do conhecimento.”
