O Big Bang criou quantidades iguais de matéria e antimatéria. Então, por que existe muito mais matéria do que antimatéria no Universo? O Irfu participa da preparação do Hyper-Kamiokande, uma experiência de oscilações de neutrinos produzidos por acelerador, que poderá esclarecer este mistério.
O universo está cheio de matéria, enquanto a antimatéria é muito rara. A predominância da matéria permitiu que estruturas complexas, como galáxias, estrelas, planetas e, finalmente, nós, se formassem e existissem tal como as observamos hoje. O Big Bang criou a mesma quantidade de matéria e antimatéria: cada partícula deveria, portanto, ter-se aniquilado com uma antipartícula correspondente para preencher o Universo de luz (fotões) e de nada mais.
Figura 1: A simetria entre as oscilações dos neutrinos e dos antineutrinos está quebrada?
Crédito: APS/Carin Cain Uma pequena assimetria entre a matéria e a antimatéria é necessária para evitar este fim catastrófico. Uma partícula muito enigmática, o neutrino, poderia deter a chave deste mistério.
O neutrino é a partícula menos conhecida do modelo padrão. Uma das poucas coisas que sabemos sobre ele é que os neutrinos devem existir sob a forma de, pelo menos, três sabores (eletrão, muão e tau) e que estes estados "oscilam" quando os neutrinos se propagam no espaço e no tempo. Mais precisamente, os neutrinos são criados nas interações das outras partículas do modelo padrão num estado de sabor definido, mas propagam-se em estados de massa definidos, que correspondem a combinações lineares (sobreposições quânticas) de estados de sabor.
Consequentemente, um neutrino de energia dada, criado num estado de sabor dado, tem uma probabilidade bem definida de ser detetado num estado de sabor diferente após ter percorrido uma determinada distância. Este fenómeno só é possível se os neutrinos forem partículas massivas, ao contrário do que prevê o modelo padrão.
De maneira muito interessante, este fenómeno abre a possibilidade a uma nova fonte de assimetria matéria-antimatéria no Universo: se os neutrinos e os antineutrinos (as suas antipartículas) oscilarem de forma diferente, eles poderão ter desempenhado um papel crucial no mecanismo na origem da forte predominância da matéria no Universo.
De T2K a Hyper-Kamiokande
As oscilações de neutrinos foram descobertas no final dos anos 90 e recompensadas com o Prémio Nobel da Física em 2015. Desde então, as oscilações têm sido estudadas no âmbito de várias experiências, explorando nomeadamente os neutrinos produzidos pelos raios cósmicos, o Sol, os reatores nucleares e os aceleradores de partículas. Estes últimos têm a capacidade única de produzir um feixe de neutrinos ou de antineutrinos de sabor e de energia otimizadas na direção desejada.
Figura 2: Vista esquemática do detetor distante Hyper-Kamiokande em construção no Japão.
Crédito: Hyper-K collaboration Um conjunto de detetores, colocados perto da fonte de neutrinos, é usado para caracterizar a quantidade de neutrinos produzidos e a sua probabilidade de interagir com a matéria. Um grande detetor "distante" interceta os neutrinos a centenas de quilómetros da fonte para medir a probabilidade de oscilação de um sabor para outro. Esta abordagem é hoje explorada pela
experiência Tokai To Kamioka (T2K), no Japão, à qual o Irfu dá contribuições cruciais.
A T2K funcionará até 2027, data em que o seu sucessor, o Hyper-Kamiokande (HK), tomará o seu lugar. O HK disporá de um feixe de neutrinos mais de duas vezes mais intenso e de um detetor distante mais de oito vezes maior do que o da T2K. O HK herdará o
detetor próximo da T2K (ND280), recentemente melhorado.
Graças ao aumento considerável da estatística de neutrinos produzidos e detetados, o HK estará em condições de descobrir a assimetria possível entre a oscilação dos neutrinos e dos antineutrinos, e de trazer novas respostas ao grande mistério da assimetria matéria-antimatéria no Universo.
Hyper-Kamiokande@Irfu
O Irfu está na vanguarda deste grande esforço experimental e já desempenhou um papel de liderança na reformulação do detetor ND280. O instituto contribui agora para a construção do novo detetor distante do HK. Os grandes desafios para este novo detetor estão relacionados com o seu tamanho: um tanque cilíndrico de 72 m de altura e 68 m de diâmetro contendo 260 quilotoneladas de água (ver figura 2), onde a luz Cherenkov produzida pelas partículas carregadas resultantes das interações de neutrinos será recolhida por cerca de 13 000 tubos fotomultiplicadores (PMT). Os sinais dos PMT serão lidos por mais de mil placas eletrónicas.
Figura 3: protótipo do módulo eletrónico desenvolvido no Irfu para o primeiro estágio da distribuição do relógio do detetor distante do HK. O módulo possui 32 portas óticas e foi otimizado para uma latência determinística de baixa instabilidade (alguns picossegundos). Para permitir medições precisas das oscilações, todas as unidades de leitura deste gigantesco detetor devem estar corretamente sincronizadas no tempo e intercalibradas em energia para garantir a uniformidade da sua resposta. O Irfu está no centro destes desafios e desenvolve nomeadamente um novo módulo eletrónico para o sistema de distribuição do relógio para as milhares de unidades de leitura. O Irfu apoia também, através da sua antena no CERN, o desenvolvimento do banco de ensaios que servirá para calibrar precisamente as unidades eletrónicas de leitura e para garantir que elas satisfazem as especificações.
Para medir o desafio tecnológico que enfrentamos, mencionemos que devemos garantir uma precisão na escala de energia dos neutrinos da ordem de 0,5 %, o que induz uma exigência de 0,1 % na calibração da linearidade de carga das placas eletrónicas de leitura.
Além disso, para garantir uma resolução espacial melhor que 15 cm para trajetos de luz Cherenkov de 100 metros, um sistema de distribuição capaz de enviar um relógio com uma estabilidade temporal melhor que 100 ps para 13 000 PMT distribuídos por uma superfície cilíndrica de mais de 15 000 metros quadrados deve ser implementado. Para este fim, é implementada uma abordagem em vários estágios e o Irfu desenvolve o primeiro estágio deste sistema: o novo módulo eletrónico ilustrado na figura 3 apresenta uma instabilidade aleatória (determinística) inferior a 4ps (2ps).
Figura 4: o detetor Hyper-Kamiokande será colocado a 600 m debaixo de terra na mina de Kamioka em Hida City, Gifu, onde a maior caverna já escavada pelo homem está a ser escavada (à esquerda). Os PMT estão a ser fornecidos e testados antes da sua instalação (à direita).
A construção do detetor HK está em curso. Como mostra a figura 4, a escavação da caverna e a compra dos PMT estão bem avançadas. A fase de recolha de dados deverá começar no início do ano de 2028.
A sensibilidade do Hyper-Kamiokande à assimetria de oscilação entre neutrinos e antineutrinos
O Irfu conduz também o principal esforço de análise que visa estimar com precisão a sensibilidade da experiência HK para as medições de oscilação e, nomeadamente, para a descoberta de uma eventual assimetria entre a oscilação dos neutrinos e dos antineutrinos. (ver figura 5).
Os resultados recentes da T2K indicam uma assimetria neutrino-antineutrino muito grande, caso em que o HK pode concluir definitivamente sobre a existência desta assimetria em cerca de 2 anos de recolha de dados (a 5 desvios-padrão). Na figura 5, o impacto das incertezas sistemáticas nas medições de oscilação é também estimado, quantificando o papel crucial do detetor próximo ND280 para permitir uma descoberta tão importante.
Com efeito, para medir com precisão as oscilações de neutrinos, é necessário modelizar corretamente a probabilidade de interação dos neutrinos com a matéria no detetor. O Irfu participou amplamente no desenvolvimento de modelos de física nuclear para as interações de neutrinos e é um contribuidor maior para as suas medições diretas com os dados do ND280.
Figura 5: à esquerda, potencial de descoberta (em número de desvios-padrão) para a assimetria entre a oscilação dos neutrinos e dos antineutrinos em função do número de anos de recolha de dados no HK. Duas valores diferentes do parâmetro δCP, que parametriza a assimetria, são testadas: -90° corresponde à assimetria máxima, como indicam os resultados preliminares da T2K, -45° corresponde a uma assimetria de 50 %. À direita, fração dos valores do parâmetro δCP para os quais o HK pode descobrir a assimetria a 5 (ou 3) desvios-padrão, em função do número de anos de recolha de dados.
Em resumo, o Irfu, graças à sua contribuição crucial para o detetor próximo e para o detetor distante do HK, à sua expertise única em física nuclear e ao seu papel de liderança na análise da oscilação de neutrinos, será um ator essencial das futuras descobertas do HK.
Fonte: CEA IRFU