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Dada a largada para o upgrade do experimento Connie

Experimento único no mundo dá passo crucial para aumentar a sensibilidade de seus detectores, que capturam a partícula mais fugidia da natureza, os neutrinos. Com equipamentos sofisticados instalados ao lado de um reator nuclear no Brasil, essa colaboração internacional tem como principal objetivo estudar as interações de neutrinos com o núcleo atômico. Seus resultados podem ajudar não só a entender a natureza de uma das partículas mais abundantes do universo, mas também testar e descartar teorias.
Publicado em 01/10/2021 12h52 Atualizado em 01/10/2021 14h54

A usina nuclear de Angra 2, na cidade de Angra dos Reis (RJ), hospeda um experimento de física – único de seu gênero no mundo – desenhado para testar aspectos das teorias mais fundamentais sobre a matéria.

O experimento Connie (sigla, em inglês, para Experimento de Interação Coerente Neutrino-Núcleo) usa uma nova tecnologia para a detecção de partículas elementares conhecidas como neutrinos – no caso, produzidas no reator da usina.

A base do Connie para a detecção de neutrinos são os CCDs (do inglês, Dispositivos de Carga Acoplada), que passaram a ser explorados recentemente para a detecção dessas partículas extremamente fugidias.

Os CCDs possuem como diferencial detectar partículas de baixa energia, o que abre nova janela para a pesquisa em física fundamental e aplicada – em particular, no que se refere aos estudos da interação dos neutrinos. Isso permitiu que, em cinco anos de operação, o experimento Connie fosse capaz de atingir o recorde mundial em sensibilidade para um experimento de neutrinos e, assim, estabelecer limites em teorias físicas conhecidas como ‘além do modelo padrão’ – ou seja, envolvendo fenômenos não previstos por esse poderoso ferramental teórico que os físicos usam para estudar a matéria (partículas) e as interações (forças) da natureza.

Esses limites são os mais restritivos já obtidos a partir de um experimento de neutrinos de reator em baixas energias. Em outras palavras, o experimento já ajudou a testar (e descartar) teorias.

O próximo passo é aumentar a sensibilidade do detector, o que permitirá ampliar a exploração da física da interação de neutrinos. Isso possibilitará medir, pela primeira vez, o espalhamento (‘colisão’) coerente dos neutrinos do reator. No caso, coerente significa que o neutrino interage com núcleo atômico como um todo e não seus constituintes, prótons e nêutrons, separadamente, como acontece em energias mais altas. Essa interação foi prevista teoricamente há quase meio século e só observada experimentalmente há quatro anos, em experimentos com feixes de partículas.

Com o Connie, essa medida será estendida para energias mais baixas, abrindo novas possibilidades tanto para estudar experimentalmente essa interação quanto de alargar os testes de teorias alternativas – e até gerar aplicações para o acompanhamento remoto da operação de reatores nucleares, o que tem apelo para a área de monitoramento internacional de atividades nesse tipo de usina.

 

Mais sensibilidade

Esse aumento da sensibilidade virá do uso de uma nova tecnologia, Skipper-CCD, em que é possível baixar enormemente o ruído do sensor, possibilitando detectar elétrons individualmente, ou seja, literalmente, contar quantas dessas partículas são geradas no sensor em resposta à colisão de partículas incidentes.

Essa característica torna um Skipper-CCD um ‘detector quântico’ e abre a perspectiva de aplicações em outras áreas de pesquisa fundamental e aplicada em física. Este tipo de tecnologia começou a ser usada recentemente em detectores para matéria escura e vem sendo considerada para outros experimentos de neutrinos – matéria escura, de natureza ainda desconhecida, responde por cerca de 25% do conteúdo do universo.

Depois da preparação que envolveu redesenho e upgrade de componentes do experimento, os primeiros sensores Skipper-CCD foram instalados no Connie no fim de junho deste ano.

 


Sensor Skipper-CCD (retângulo cinza, centro) e conexões eletrônicas
(Crédito: projeto Connie)

 

A função desses primeiros sensores é validar seu uso no ambiente do Connie e medir o chamado background, causado por ruído eletrônico e todas as partículas que não interessam ao experimento (como elétrons e partículas de luz). Portanto, são um protótipo para outros sensores Skipper que serão instalados no Connie em breve.

A massa desses sensores é crucial para a detecção dos neutrinos. Desse modo, o passo seguinte será instalar sensores bem maiores e em maior número, conformando o upgrade do experimento completo para sua versão Skipper.

Essa iniciativa é um marco na construção da nova geração de experimentos de neutrinos com Skipper-CCD e mais um recorde mundial do Connie.

 

 


Experimento Connie pronto para instalação dos Skipper-CCD
(Crédito: projeto Connie)

 

Detector único: futuro

Connie foi o primeiro e, até agora, único experimento de neutrinos com CCDs. Com os novos Skipper-CCDs ele passou a ser também o único experimento usando essa tecnologia operando junto a um reator nuclear.

Em torno da ideia de montar um experimento de neutrinos com CCDs juntaram-se pesquisadores e tecnologistas do CBPF e do Instituto de Física da UFRJ (IF-UFRJ). Coordenados pelo Fermilab, montou-se uma colaboração internacional com participação de Argentina, México, Paraguai e Suíça, além do Brasil e EUA. Nesse momento, foi criada a sigla Connie.

Da equipe brasileira, fazem parte do Connie: do CBPF, Hérman Lima, João dos Anjos, Martín Makler e Philipe Mota; do IF-UFRJ, Ana carolina Oliveira, Carla Bonifazi, Irina Nasteva, Katherine Maslova, Patrick Lemos e Pedro Zilves. O experimento conta com o apoio da Coordenação de Desenvolvimento Tecnológico (Cotec), do CBPF, e de Gustavo Coelho e Livia Werneck, da Eletronuclear.


Imagens obtidas com Skipper-CCD; traços retos, múons (elétrons ‘pesados’); curvos, elétrons
(Crédito: projeto Connie)

Há outros protótipos de detectores de neutrinos com Skipper-CCDs planejados para entrar em operação em breve, inclusive em uma central nuclear na Argentina. Um diferencial da fase atual do Connie é a possibilidade dele operar, ao mesmo tempo, os CCDs tradicionais e os Skipper-CCDs.

Com isso, o Connie se tornou o único experimento no mundo a combinar essas duas tecnologias, o que permitirá fazer inúmeros testes e calibrações cruzadas.

Agora que os novos Skipper-CCDs foram instalados, o foco tem sido otimizar sua operação, bem como analisar e compreender seus resultados. O objetivo é caracterizar o background e obter as primeiras medidas científicas. Em agosto deste ano foi feita uma nova intervenção no experimento, adicionando camadas de blindagem (chumbo e polietileno de alta densidade) para medir seu impacto na atenuação do background. Neste momento estão sendo realizadas as primeiras análises de dados com o protótipo completo.

A próxima fase, planejada para o início de 2022, será preencher todo o detector Connie com novos Skipper-CCDs, aumentando em muito a massa do experimento sensível aos neutrinos.

Esse upgrade abrirá uma nova janela na detecção de neutrinos e testes do modelo padrão, mantendo Connie na ponta dos experimentos de neutrinos de reator de baixas energias.

Martín Makler
Pesquisador titular
CBPF


Mais informações:

CBPF: https://portal.cbpf.br/teste-idiomas/en-us/home/cbpf-news/experimento-revela-interacao-de-neutrino-com-o-nucleo-atomico
Ciencia del Sur: https://cienciasdelsur.com/2018/01/17/experimento-connie-neutrinos/
UFRJ: https://www.if.ufrj.br/em-operacao-experimento-connie-tem-nova-tecnologia-de-sensores-para-a-deteccao-de-neutrinos/