Tecnologia Científica

Os primeiros resultados da física do detector de protótipo publicados
DUNE é um ambicioso experimento internacional que mede as propriedades de minúsculas partículas fundamentais chamadas neutrinos .
Por Sarah Charley - 06/12/2020


A colaboração DUNE publicou seu primeiro artigo científico baseado em dados coletados com o detector monofásico ProtoDUNE localizado na Plataforma de Neutrino do CERN. Crédito: CERN

A colaboração DUNE publicou seu primeiro artigo científico baseado em dados coletados com o detector monofásico ProtoDUNE localizado na Plataforma de Neutrino do CERN. Os resultados mostram que o detector está funcionando com eficiência superior a 99%, tornando-o não apenas a maior, mas também a câmara de projeção de tempo de argônio líquido com melhor desempenho até o momento. Os cientistas agora estão usando suas descobertas para refinar suas técnicas experimentais e se preparar para a construção do experimento internacional Deep Underground Neutrino na Long-Baseline Neutrino Facility, um programa experimental de neutrino de próxima geração patrocinado pelo Fermilab do Departamento de Energia dos Estados Unidos.

"Esses primeiros resultados são uma ótima notícia para nós", disse o co-porta-voz da DUNE Stefan Söldner-Rembold, professor da Universidade de Manchester, no Reino Unido. "Eles mostram que o detector ProtoDUNE-SP funciona ainda melhor do que o previsto. Agora estamos prontos para a construção dos primeiros componentes do detector DUNE, que contará com módulos detectores baseados neste protótipo, porém 20 vezes maiores."

DUNE é um ambicioso experimento internacional que mede as propriedades de minúsculas partículas fundamentais chamadas neutrinos . Os neutrinos são a partícula de matéria mais abundante no universo, mas como raramente interagem com outras partículas, são incrivelmente difíceis de estudar. Existem pelo menos três tipos diferentes de neutrinos e, a cada segundo, 65 bilhões deles passam por cada centímetro quadrado da Terra. Enquanto viajam, eles fazem algo peculiar: eles mudam de um tipo para outro. Os cientistas acham que essas oscilações de neutrinos- assim como oscilações envolvendo neutrinos de antimatéria - poderiam ajudar a responder algumas das grandes questões da física, como a assimetria matéria-antimatéria observada no universo. O DUNE também irá procurar neutrinos de supernovas e procurar processos subatômicos raros, como o decaimento de prótons.

"O ProtoDUNE-SP mostra que podemos ampliar esse tipo de tecnologia para o tamanho e a resolução de que precisamos para finalmente colocar os neutrinos sob um microscópio muito poderoso", disse Marzio Nessi, coordenador da Plataforma de Neutrinos do CERN.

A medição precisa dessas oscilações restringirá e até excluirá alguns modelos teóricos e abrirá novos caminhos para descobrir e explorar fenômenos subatômicos raros. Mas para obter essas medições precisas, os cientistas precisam de detectores incrivelmente grandes, sensíveis e confiáveis.

"Os resultados do ProtoDUNE mostram que projetamos um detector que nos permitirá atingir nossos objetivos científicos no DUNE", disse Elizabeth Worcester, cientista do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia e coordenadora de física do DUNE.
 
O DUNE foi projetado para revelar a natureza das oscilações de neutrinos, disparando um intenso feixe de neutrinos do Fermilab perto de Chicago através de 1.300 quilômetros (800 milhas) de terra e em quatro módulos detectores subterrâneos gigantes localizados a 1,5 quilômetros de profundidade no Sanford Underground Research Facility em South Dakota . Dois detectores ProtoDUNE no CERN - um baseado em uma fase única e outro baseado em uma tecnologia de argônio líquido de fase dupla - são um passo em direção à construção dos enormes módulos detectores DUNE, cada um preenchido com 17.000 toneladas de argônio líquido. O DUNE Technical Design Report, publicado em fevereiro, é o projeto para a construção desses módulos.

No CERN, cientistas da DUNE de todo o mundo usaram raios cósmicos e um feixe de teste de 800 GeV para avaliar o detector ProtoDUNE-SP. O feixe de teste do acelerador SPS do CERN passou por dois alvos separados para criar feixes de elétrons, prótons e outros tipos de partículas. Os detectores de partículas localizados fora do ProtoDUNE mediram a energia e a identidade dessas partículas de feixe de teste antes de entrarem no ProtoDUNE-SP. Dentro do detector, delicados planos de fios intercalados com detectores de fótons estão pendurados em 800 toneladas de argônio líquido transparente. Quando uma partícula que passa interage com o argônio, ela bate os elétrons soltos que são atraídos por um campo elétrico de alta voltagem por vários metros para os planos de fio próximos às paredes do detector. A partir do sinal nos fios, os cientistas criam uma imagem 3-D da partícula ' s trajetória e pode determinar sua energia e identidade. Ao comparar essas informações de dentro do ProtoDUNE-SP com as propriedades conhecidas da partícula do feixe de teste original, eles foram capazes de calibrar com precisão o aparelho e otimizar o software de reconstrução complexo.

Assim como a qualidade de uma foto varia significativamente com base na qualidade da câmera e do software de edição do fotógrafo, a qualidade dos dados físicos é tão boa quanto o detector e suas ferramentas de reconstrução. Os cientistas que trabalham no ProtoDUNE-SP aprenderam com os experimentos anteriores com neutrinos e alcançaram um nível de desempenho que antes era impossível. Todos os dados do detector contêm pequenas variações, chamadas de ruído, que às vezes podem ser difíceis de distinguir dos sinais criados por partículas. Este é um problema comum em todos os experimentos de física, e os cientistas estão constantemente pensando em maneiras inovadoras de melhorar a qualidade dos dados por meio de uma combinação de aumento da força do sinal e diminuição da quantidade de ruído. Neste primeiro artigo DUNE, os cientistas mostram como eles foram capazes de alcançar uma relação sinal-ruído de 50 para 1, o que antes era impossível de alcançar para as câmaras de projeção de tempo de argônio líquido. Eles também avaliaram a confiabilidade do detector e descobriram que mais de 99% de seus 15.360 canais de detectores estão funcionando como deveriam.

"Se alguns canais em um detector não funcionam, os cientistas obtêm lacunas em seus dados", disse Tingjun Yang, um colaborador do DUNE no Fermilab que liderou a análise de dados do ProtoDUNE. "As ferramentas de análise de dados podem ajudar a fechar essas lacunas, mas há um limite. O número de canais inativos no ProtoDUNE é inferior a 1%, o que nos dá uma reconstrução de eventos altamente eficiente. O ProtoDUNE-SP mostra que podemos alcançar e superar nossos objetivos físicos. "

 

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