SNO+ detecta antineutrinos em água pura a 240 quilómetros

Em 2018, um tanque com a água mais pura possível, enterrado sob quilómetros de rocha em Ontário, no Canadá, brilhou quando uma partícula quase imperceptível atingiu as suas moléculas.

Foi a primeira vez que a água serviu para detetar uma partícula chamada antineutrino, vinda de um reator nuclear a mais de 240 quilómetros (150 milhas) de distância. O avanço abre caminho para experiências com neutrinos e para tecnologias de monitorização que dependem de materiais baratos, fáceis de obter e seguros.

Como algumas das partículas mais abundantes do Universo, os neutrinos são estranhos e, ao mesmo tempo, promissores para revelar pistas mais profundas sobre o cosmos. O problema é que são quase sem massa, não têm carga elétrica e praticamente não interagem com outras partículas. Em geral, atravessam o espaço e também a rocha como se a matéria fosse intangível - daí o apelido de “partículas fantasma”.

Antineutrinos e a diferença em relação aos neutrinos

Os antineutrinos são as antipartículas dos neutrinos. Em condições normais, uma antipartícula tem carga oposta à sua equivalente: a antipartícula do eletrão, que é negativamente carregado, é o pósitrão, de carga positiva. Como os neutrinos não têm carga, os cientistas distinguem neutrinos e antineutrinos por um sinal indireto: um neutrino eletrónico aparece acompanhado de um pósitrão, enquanto um antineutrino eletrónico surge junto com um eletrão.

Os antineutrinos eletrónicos são emitidos no decaimento beta nuclear, um tipo de decaimento radioativo em que um neutrão se transforma num protão, num eletrão e num antineutrino. Depois, um desses antineutrinos eletrónicos pode interagir com um protão e gerar um pósitrão e um neutrão - um processo conhecido como decaimento beta inverso.

Como os detetores Cherenkov capturam sinais tão fracos

Para registar esse tipo específico de evento, usam-se grandes tanques cheios de líquido e revestidos com tubos fotomultiplicadores. O objetivo é capturar o brilho ténue da radiação Cherenkov, produzida quando partículas com carga se deslocam no líquido mais depressa do que a luz consegue propagarse nesse meio - de forma semelhante ao estrondo sónico que surge quando se ultrapassa a barreira do som. Por isso, esses sistemas são extremamente sensíveis a luz muito fraca.

Os reatores nucleares produzem antineutrinos em quantidades enormes, mas eles têm energia relativamente baixa, o que torna a deteção mais difícil.

SNO+ e a deteção de antineutrinos em água pura

É aqui que entra o SNO+. Instalado sob mais de 2 quilómetros (1,24 milhas) de rocha, trata-se do laboratório subterrâneo mais profundo do mundo. Esse escudo natural funciona como uma barreira eficaz contra interferências de raios cósmicos, permitindo aos cientistas obter sinais com resolução excecional.

Atualmente, o tanque esférico de 780 toneladas do laboratório está preenchido com alquilbenzeno linear, um cintilador líquido que amplifica a luz. Mas, em 2018, durante a fase de calibração da instalação, o tanque estava cheio de água ultrapura.

Ao vasculhar os dados recolhidos ao longo de 190 dias nessa calibração de 2018, a colaboração SNO+ encontrou indícios de decaimento beta inverso. O neutrão produzido no processo é capturado por um núcleo de hidrogénio na água e, como consequência, surge um clarão suave de luz num nível de energia muito específico: 2,2 megaeletrão-volts.

Em geral, detetores Cherenkov com água têm dificuldade para identificar sinais abaixo de 3 megaeletrão-volts; mas o SNO+ cheio de água conseguiu descer até 1,4 megaeletrão-volts. Isso resulta numa eficiência de cerca de 50% para detetar sinais em 2,2 megaeletrão-volts, e a equipa considerou que valia a pena procurar marcas de decaimento beta inverso.

A análise de um sinal candidato indicou que ele provavelmente foi gerado por um antineutrino, com nível de confiança de 3 sigma - uma probabilidade de 99,7%.

O resultado sugere que detetores à base de água podem ser usados para monitorizar a produção de energia de reatores nucleares.

Enquanto isso, o SNO+ está a ser utilizado para aprofundar a compreensão de neutrinos e antineutrinos. Como é impossível medir neutrinos de forma direta, sabe-se pouco sobre eles. Uma das maiores questões é se neutrinos e antineutrinos são exatamente a mesma partícula. Um decaimento raro, nunca observado, poderia responder a isso - e o SNO+ está atualmente à procura desse decaimento.

“É intrigante para nós que a água pura possa ser usada para medir antineutrinos de reatores a distâncias tão grandes”, disse o físico Logan Lebanowski, da colaboração SNO+ e da Universidade da Califórnia, em Berkeley, em março de 2023.

“Fizemos um esforço significativo para extrair um punhado de sinais de 190 dias de dados. O resultado é gratificante.”

A investigação foi publicada em Cartas de Revisão Física.

Uma versão deste artigo foi publicada pela primeira vez em abril de 2023.