Tecnologia Científica

MicroBooNE 'brilha uma lanterna' em neutrinos complicados
Estes são tempos de boom para a física de Yale Bonnie Fleming e o Micro Booster Neutrino Experiment (MicroBooNE).
Por Jim Shelton - 01/11/2021


Uma interação de neutrino de elétron candidato no detector de câmara de projeção de tempo de argônio líquido MicroBooNE com uma trilha de próton curta e um candidato de elétron mais longo. (Foto de Bonnie Fleming, cortesia do Fermi National Accelerator Laboratory.)

Em 27 de outubro, Fleming e outros líderes do experimento internacional anunciaram os primeiros resultados da busca do MicroBooNE por uma anomalia que poderia indicar um quarto tipo de neutrino, uma partícula subatômica considerada um bloco de construção fundamental da matéria.

Criados a partir da decomposição de elementos radioativos, os neutrinos não carregam carga elétrica e viajam pelo universo quase totalmente não afetados pelas forças naturais. Existem três tipos conhecidos, ou “sabores”, de neutrino: elétron, múon e tau. Um quarto neutrino teorizado, o neutrino estéril, existiria fora dos parâmetros atuais do Modelo Padrão de Física de Partículas - e pode explicar certas "anomalias" em dados provenientes de um experimento anterior chamado MiniBooNE e outros experimentos.

A descoberta de uma nova partícula seria um momento transformador para a investigação científica.

Lançado em 2008, o experimento MicroBooNE estuda como os neutrinos interagem e se alteram a uma distância de 500 metros. Seu detector de 12 metros de comprimento, localizado fora de Chicago, contém 170 toneladas de argônio líquido, que é 40% mais denso que a água. Quando um neutrino atinge o núcleo de um átomo de argônio no detector, sua colisão cria um borrifo de fragmentos de partículas subatômicas. Rastrear essas partículas permite que os cientistas revelem o tipo e as propriedades do neutrino que as produziu.

De acordo com as novas descobertas, quatro análises separadas do MicroBooNE não encontraram nenhum indício de uma anomalia indicando este neutrino estéril. É a descoberta mais abrangente até agora para uma pesquisa baseada em acelerador de neutrinos estéreis (outras pesquisas, incluindo o experimento PROSPECT de Yale , são baseadas em reatores nucleares).

Fleming, professor de física na Faculdade de Artes e Ciências de Yale, propôs o experimento MicroBooNE. Ela falou com a Yale News sobre as últimas descobertas do experimento.

Qual é a grande conclusão das análises?

Bonnie Fleming: Não vemos indícios de um neutrino estéril.

Existem várias anomalias, tanto nos experimentos baseados em aceleradores, como o MiniBooNE, quanto nos experimentos com reatores, que podem ser explicados por um ou vários neutrinos estéreis. Mas nosso resultado desfavorece fortemente um neutrino estéril como a única fonte da anomalia observada por MiniBooNE.

Foi um resultado surpreendente, do seu ponto de vista?

Fleming: Talvez seja surpreendente que ainda não tenhamos uma explicação para o que está causando a anomalia do MiniBooNE. As coisas que consideramos os possíveis “suspeitos usuais” - um excesso de neutrinos de elétrons, por exemplo, ou o aparecimento de fótons únicos de decaimentos Delta - não são responsáveis. No entanto, existem outras explicações e ainda um grande mistério que a MicroBooNE irá abordar. Ainda há mais trabalho a fazer.

O que podemos fazer com essas informações?

Fleming: Podemos usar esses primeiros testes para orientar quais perguntas faremos daqui para frente, tanto com a segunda metade dos dados do MicroBooNE, que ainda não foram analisados, quanto com os dois outros experimentos no programa de linha de base curta no Fermilab [onde o MicroBooNE está baseada], ainda em construção e apenas começando a coletar dados.

É como se pegássemos uma lanterna em um quarto escuro e a iluminássemos em algumas áreas para ver se podemos encontrar uma resposta. Mostramos que a interpretação mais provável ou mais popular, além do modelo padrão, não existe. Agora temos que direcionar a lanterna para outras áreas.

O que você pode nos dizer sobre a tecnologia que está no centro do seu trabalho - as Câmaras de Projeção de Tempo de Argônio Líquido (LArTPCs)?

Fleming: MicroBooNE é o primeiro de uma longa linha de experimentos com neutrinos que agora usam essa tecnologia. Ele havia sido desenvolvido na Europa anos antes, e as imagens fotográficas produzidas pelos protótipos LArTPC eram muito promissoras, mas não haviam sido usadas com sucesso em um experimento. Na verdade, uma conclusão crítica desse resultado é que os detectores LArTPC podem ser usados ​​com muito sucesso para a física de neutrino de precisão.

MicroBooNE mostrou que um experimento de longa duração pode ter sucesso com a tecnologia - e que podemos analisar dados com uma riqueza de informações de precisão fornecidas por esta técnica de detecção.

Yale desempenhou um grande papel no desenvolvimento da tecnologia e no trabalho subsequente para MicroBooNE, correto?

Fleming: Meu grupo em Yale forneceu uma primeira prova de princípio nos Estados Unidos para a tecnologia. Vimos as primeiras “trilhas” de interações de neutrinos em uma câmara de precisão LArTPC nos Estados Unidos - chamada de “Yale TPC” em 2007.

Fui o porta-voz fundador do experimento Argon Neutrino Teststand (ArgoNeuT), que foi o precursor do MicroBooNE, e o porta-voz fundador da MicroBooNE (desde 2012, sou co-porta-voz).

Construímos a câmara de projeção do tempo para MicroBooNE aqui em Yale no Laboratório Wright. Em seguida, foi montado com o resto do detector no Fermilab em Illinois. Desde então, nossa equipe de análise em Yale tem colaborado principalmente com o Brookhaven National Laboratory e também com a University of California-Santa Barbara [UCSB] e a University of Michigan na análise de "células de arame" - a mais sensível e inclusiva das novas análises explorar neutrinos de elétrons no experimento. Os alunos e pós- doutorandos de Yale foram essenciais para esta análise, em particular com o trabalho de dissertação de Brooke Russell e, mais recentemente, com a coliderança do esforço da célula de Wire pós-doutorado em Yale Jay Hyun Jo (junto com o ex-pós-doutorado em Brookhaven Hanyu Wei).

Outros alunos e pós-doutorandos em Yale que contribuíram para esta análise são Xiao Luo, que agora está no corpo docente da UCSB, e os alunos London Cooper-Troendle e Kaicheng Li. A próxima fase do experimento, em busca da fonte da anomalia no modo de fóton único - onde ainda não iluminamos a lanterna o suficiente - está sendo conduzida pelos estudantes de graduação de Yale Giacomo Scanavini e Lee Hagaman.

Em um nível pessoal, o que as últimas descobertas da MicroBooNE significam para você?

Fleming: Quando comecei em Yale em 2004, LArTPCs era uma tecnologia marginal nos Estados Unidos. As pessoas me disseram que trabalhar na tecnologia era muito arriscado. Costumava dizer que ninguém se sentava ao meu lado nas mesas de almoço da cafetaria do Fermilab.

Agora, não apenas o MicroBooNE deu frutos com um resultado profundo e crítico abordando uma anomalia de longa data no campo, mas também a comunidade científica nesse ínterim abraçou esta tecnologia tanto que será usada para a próxima geração de experimentos , incluindo o experimento internacional Deep Underground Neutrino (DUNE).

Com relação ao resultado real que a MicroBooNE observou, estou muito orgulhoso por termos feito um excelente trabalho abordando isso. A Mãe Natureza é apenas isso, então o fato de nosso resultado não sugerir neutrinos estéreis é apenas o que é. No futuro, temos uma tecnologia transformacional para nos ajudar a realmente entender o que os neutrinos estão nos dizendo sobre o universo.

 

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