Pesquisadores da USP participam de projeto internacional que procura responder uma das principais perguntas feitas pela ciência: por que existe matéria no Universo? Usando cristais altamente sensíveis à radiação em baixíssimas temperaturas, o experimento denominado Cupid quer demonstrar um fenômeno físico associado aos neutrinos – partículas elementares existentes por toda a parte, mas de comportamento quase desconhecido.

Os resultados da experiência fornecerão evidências a respeito da origem dos neutrinos, que também contribuirão com os estudos sobre a formação da matéria de que o Universo é feito. Atualmente em fase de preparação, o experimento será realizado em um laboratório na Itália, numa caverna sob 1,4 mil metros de rocha, para evitar interferência de fontes externas de radiação. Os primeiros dados científicos devem ser divulgados em 2030.

“Os neutrinos são partículas elementares que não possuem carga elétrica, têm uma massa extremamente pequena e interagem muito pouco com a matéria. Isso significa que podem atravessar praticamente tudo ao nosso redor sem deixar qualquer sinal de sua passagem”, afirma ao Jornal da USP o físico Pedro Guillaumon, professor do Instituto de Física (IF) da USP, um dos pesquisadores principais do experimento e representante da USP no conselho que coordena o projeto. 

“Por exemplo, bilhões de neutrinos produzidos no Sol atravessam cada centímetro quadrado do nosso corpo a cada segundo, sem percebermos absolutamente nada”, diz.

“Mas os neutrinos não são produzidos apenas nas estrelas ou em grandes experimentos científicos. Eles também estão presentes em fenômenos muito cotidianos!”, destaca o físico. “Uma simples banana, por exemplo, contém uma pequena quantidade de potássio radioativo e pode produzir mais de 1 milhão de antineutrinos por dia!”

De acordo com Guillaumon, apesar de tão abundantes, os neutrinos estão entre as partículas mais misteriosas conhecidas pelos cientistas. “Durante muito tempo, acreditávamos que não tinham massa. Hoje, sabemos que possuem, mas sua origem continua sendo um dos grandes problemas em aberto da física de partículas”, observa. “Compreender essas partículas é importante não apenas para entender melhor as leis fundamentais da natureza, mas também para investigar a formação e a evolução do próprio Universo.”

O professor explica que Cupid é a sigla em inglês para Cuore Upgrade with Particle IDentification (Atualização do Cuore com Identificação de Partículas, em português). “Ele será o sucessor do experimento Cuore, cujo nome significa Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (Observatório Criogênico Subterrâneo para Eventos Raros)”, relata. “O objetivo do Cupid é observar um fenômeno extremamente raro, que nunca foi detectado experimentalmente: o chamado duplo decaimento beta sem emissão de neutrinos.”

“Para se ter uma ideia de sua raridade, sabemos que, se esse fenômeno existe, precisaríamos esperar mais de 10 milhões de bilhões de anos para que metade de uma grande quantidade desses núcleos atômicos sofresse esse decaimento, chamado de meia-vida. Para comparação, a idade do Universo é de aproximadamente 14 bilhões de anos!”, descreve. “Já conseguimos observar o duplo decaimento beta com emissão de neutrinos. Entretanto, detectar esse mesmo processo sem a emissão dessas partículas poderia transformar nossa compreensão sobre a natureza da matéria.”

Segundo o físico, hoje se sabe que os neutrinos possuem massa, mas ainda não são conhecidos seus valores absolutos nem é compreendido completamente o mecanismo responsável por sua origem. “Uma das hipóteses mais importantes é que o neutrino seja uma partícula de Majorana, ou seja, aquela que é sua própria antipartícula. Quando se encontram, partículas e antipartículas se aniquilam em luz, então os neutrinos produzidos no decaimento podem se anular, gerando um estado final sem eles”, explica. “A descoberta desse decaimento seria uma evidência fundamental da natureza dos neutrinos e poderia nos ajudar a compreender a origem de suas massas. Mas existe uma consequência ainda mais fascinante: isso poderia fornecer uma peça importante para explicar por que há mais matéria do que antimatéria no Universo.”

“Pelas leis da física que conhecemos, matéria e antimatéria deveriam ter sido produzidas em quantidades praticamente iguais nos primeiros instantes do Universo. Entretanto, por algum motivo, a matéria prevaleceu, permitindo a formação das estrelas, dos planetas e de nós mesmos”, enfatiza Guillaumon. “A observação do decaimento demonstraria que uma das simetrias fundamentais da física pode ser violada. Um dos ingredientes presentes em teorias que procuram explicar a predominância da matéria sobre a antimatéria é justamente essa violação. Portanto, o Cupid pode contribuir para responder a uma das perguntas mais fundamentais da ciência: por que a matéria existe?”

O Cupid será uma evolução do experimento Cuore, cuja sigla coincide com a palavra em língua italiana para “coração”, por esse motivo a abreviação remete a Cupido, o deus da mitologia romana que despertava o amor ao lançar flechas no coração das pessoas. “A experiência incorpora importantes avanços tecnológicos para tentar observar o duplo decaimento beta sem emissão de neutrinos em um isótopo chamado molibdênio-100”, descreve o professor do IF.

“Para isso, usaremos aproximadamente 1,6 mil cristais de molibdato de lítio, cada um pesando cerca de 280 gramas, resfriados a temperaturas muito próximas do zero absoluto, que equivale a 273° Celsius (°C) negativos. Isso é muito mais frio do que o espaço sideral!”, acrescenta Guillaumon. “Quando uma partícula deposita energia em um desses cristais, ocorre um aumento minúsculo de temperatura, que conseguimos medir utilizando detectores extremamente sensíveis.”

O experimento será instalado em uma caverna no Laboratori Nazionali del Gran Sasso, na Itália, sob aproximadamente 1,4 mil metros de rocha. “O problema é que o fenômeno que procuramos é tão raro que precisamos eliminar praticamente todas as outras fontes de radiação que poderiam ser confundidas com o sinal desejado”, observa o físico. “Essa enorme camada de montanha funciona como uma proteção natural contra as partículas provenientes do espaço, conhecidas como raios cósmicos. Além disso, utilizamos diversas camadas de blindagem para proteger os detectores da radioatividade presente no ambiente.”

O professor comenta que uma das grandes inovações do Cupid é que seus cristais também emitem uma quantidade muito pequena de luz quando recebem energia. “Essa luz, chamada de cintilação, possui características diferentes dependendo do tipo de partícula que interage com o cristal. Assim, ao medir simultaneamente o aumento da temperatura e a luz emitida, conseguimos distinguir melhor os diferentes tipos de radiação e identificar possíveis sinais do fenômeno que procuramos”, salienta. “Atualmente, estamos iniciando a produção dos cristais, preparando adaptações no criostato, o equipamento responsável por atingir temperaturas tão baixas, e concluindo os últimos testes tecnológicos. O Cupid usará o mesmo criostato do experimento Cuore”, diz.

“Nossa previsão é iniciar a montagem da primeira fase do experimento em 2029, com o objetivo de começar a coletar dados científicos em 2030”, calcula Guillaumon. “Portanto, este é um momento especialmente interessante para a entrada da USP: estamos participando justamente da fase em que muitas das decisões científicas e tecnológicas mais importantes estão sendo tomadas”, afirma. Atualmente, o Cupid reúne aproximadamente 190 pesquisadores de 30 instituições, distribuídas entre Itália, Estados Unidos, França, Alemanha, Espanha, Ucrânia, Rússia, China e, agora, Brasil.

“Eu já participava há algum tempo, mas fico especialmente feliz, pois agora a USP foi oficialmente aprovada como instituição participante, uma conquista importante, pois ela se junta a um dos principais esforços internacionais para compreender a natureza dos neutrinos”, enfatiza o professor do IF. “Isso também abre oportunidades para que estudantes e pesquisadores da Universidade contribuam diretamente em todas as etapas do experimento, desde o desenvolvimento de tecnologias até a análise dos dados e a busca por novas descobertas.”

Como Investigador Principal, o físico representa a USP no conselho da colaboração. “Essa participação traz grandes responsabilidades. Meu trabalho vai muito além das atividades tradicionais de um físico dentro de um laboratório, envolvendo decisões estratégicas, coordenação de atividades científicas e tecnológicas, e orientação de pesquisadores e estudantes, no Brasil e no exterior”, ressalta. “Hoje temos sete pessoas da USP envolvidas no Cupid. Nossa expectativa é ampliar essa participação, formando novos cientistas e desenvolvendo tecnologias que também poderão ser usadas em outros experimentos.”

Guillaumon aponta que a participação está relacionada a um projeto mais amplo no IF, a construção de um novo laboratório dedicado a detectores criogênicos e sensores quânticos, capazes de medir quantidades extremamente pequenas de energia, o Iuda D. Goldman Laboratory for Quantum Sensing and Low-Temperature Detectors (em português, Laboratório Iuda D. Goldman de Sensoriamento Quântico e Detectores de Baixa Temperatura).

“Essas tecnologias, ainda pouco exploradas no País, são fundamentais não apenas para experimentos como o Cupid, mas para pesquisas sobre matéria escura, neutrinos e outras questões fundamentais da física”, conta. “O Brasil já se destaca na análise de dados e nas descobertas realizadas por experimentos científicos internacionais. Nosso objetivo é dar um passo além: desenvolver a capacidade de conceber, construir e operar nossos próprios detectores, criar novas tecnologias e liderar experimentos científicos de fronteira.”