Primeira detecção de acelerador de partículas

Pela primeira vez, foram detectados neutrinos produzidos a partir de reações nucleares desencadeadas pelo Grande Colisor de Hádrons. Embora os físicos tenham certeza de que as reações que ocorrem quando as partículas são aceleradas até perto da velocidade da luz e colidem produzem neutrinos, capturar as evidências tem sido uma questão diferente. A conquista pode ajudar os físicos de partículas a resolver algumas das grandes incógnitas do comportamento das partículas subatômicas.

Na década de 1930, os físicos notaram que os produtos de muitas reações nucleares pareciam transportar menos energia do que as partículas que precederam a reação. Isto viola a lei da conservação da energia, e a explicação óbvia é que faltavam produtos adicionais. Tais partículas, chamadas neutrinos, precisariam ser muito leves – durante muito tempo pensou-se que não tinham massa – e interagir apenas muito fracamente com objetos mais familiares. Caso contrário, teríamos achado mais fáceis de detectar.

Apesar de algum desprezo pela ideia de objetos indetectáveis ​​inventados apenas para resolver um problema, os neutrinos foram confirmados como provenientes de um reator nuclear em 1956, e a descoberta ganhou o Prêmio Nobel. Desde então, eles foram encontrados originados do Sol, interações entre os raios cósmicos e a alta atmosfera e eventos astronômicos de alta energia, como supernovas.

“Cada nova fonte traz novos insights, com implicações importantes para muitos campos, da física de partículas à geofísica, à astrofísica e à cosmologia”, escreve a colaboração Forward Search Experiment (FASER). Os pesquisadores até identificaram três tipos, conhecidos como sabores. Embora trilhões passem pelo seu corpo a cada segundo, são necessários enormes tanques de água enterrados no subsolo para ver os rastros criados pela pequena proporção que produz ou altera outras partículas em sua passagem.

Os números produzidos em máquinas como o Grande Colisor de Hádrons do CERN são naturalmente uma pequena fração daqueles de origem astronômica, tornando a tarefa de encontrá-los ainda mais difícil. No entanto, isso agora foi feito por duas equipes de forma independente.

“Os neutrinos são produzidos abundantemente em colisores de prótons como o LHC”, disse Cristovão Vilela, da Colaboração SND@LHC, ao Phys.org. "No entanto, até agora, estes neutrinos nunca tinham sido observados diretamente. A interação muito fraca dos neutrinos com outras partículas torna a sua detecção muito desafiadora e por isso são as partículas menos estudadas no Modelo Padrão da física de partículas."

Na verdade, os neutrinos são as únicas partículas no Modelo Padrão, e portanto confirmadas como existentes, que não foram detectadas pelos colisores de partículas.

As duas equipes adotaram abordagens diferentes para a captura de neutrinos. A colaboração FASER colocou o seu detector ao longo da linha do feixe, de modo que os neutrinos de maior energia, aqueles que continuam ao longo de um caminho semelhante às partículas, passassem através dele. Embora ainda sejam difíceis de observar, os neutrinos de alta energia têm maior probabilidade de interagir com outras matérias do que os de baixa energia.

O detector FASER consiste em 730 folhas de tungstênio, cada uma com 1,1 mm (0,044 polegadas) de espessura, com filmes de emulsão entre elas. A equipa foi recompensada com 153 detecções acima do nível de fundo, com energias de mais de 200 mil milhões de electrões-volt ao longo de cinco meses de observações.

O SND@LHC, por outro lado, colocou seu detector de lado e observou apenas oito eventos candidatos. Ambas as equipes protegeram seus detectores com cem metros de rocha e concreto, bloqueando a maioria das outras partículas produzidas na reação. Os neutrinos, com poucas chances de interagir com toda aquela massa, passaram ilesos. No entanto, Viela explicou isso para cada neutrino. o detector SND@LHC captou dezenas de milhões de múons que desencadearam sinais muito semelhantes.

Contos de agulhas em palheiros não fazem justiça à tentativa de distinguir as interações dos neutrinos daquelas causadas pelos múons.

A descoberta foi anunciada em dois artigos na Physical Review Letters da FASER e SND@LHC