CONNIE, o experimento com antineutrinos na fronteira da física

        

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<figcaption class= Desde a criação do experimento em 2012, a Faculdade de Engenharia da Universidade Nacional de Assunção teve uma importante participação tanto na concepção do experimento como nas simulações necessárias para estudar sua viabilidade. (ArXiv)

        

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Por Dr. Jorge Molina *

O Modelo Padrão de Física de Partículas é uma teoria que descreve três das quatro interações e comportamentos fundamentais conhecidos das partículas elementares que compõem toda a matéria no universo.

Desenvolvido durante a década de 70, é consistente com a Relatividade Especial de Einstein e a Mecânica Quântica, mas não é uma teoria completa porque não inclui a gravidade nem prediz a partícula hipotética da matéria escura, nem tampouco Também não contempla energia escura.

Até agora é a teoria mais precisa conhecida em física, cujas previsões foram verificadas experimentalmente e é considerada uma das criações mais relevantes do intelecto humano.

Entre as previsões do modelo padrão, há um processo chamado "dispersão coerente do neutrino com o núcleo" (ou CEνNS no jargão da física de partículas ) onde o neutrino (ou antineutrino) se aproximando de um núcleo atômico troca informações com ele, desviando sua trajetória.

Para que o processo seja coerente (o que implica que o núcleo não quebra, mas apenas recua ao receber a energia do neutrino), a energia do neutrino incidente deve ser inferior a 50 mega-volts eletrônicos (MeV) 1 aproximadamente. Se a energia for maior, os neutrinos irão interagir com os quarks que compõem os nêutrons e prótons, o que causará que o núcleo se quebre e novas partículas são criadas.

Em agosto de 2017, o experimento COHERENT foi capaz de observar este processo pela primeira vez com neutrinos gerados em aceleradores de partículas [1]. No entanto, com a tecnologia utilizada pelos detectores desta experiência, apenas os neutrinos com energias maiores do que dezenas de MeV podem ser capturados, enquanto que nos reatores nucleares, são produzidos antineutrinos com energias de até 12 MeVs [2].

Reciclagem nuclear e detectores CCD

Para observar os neutrinos através da dispersão coerente, é necessário um detector que possa distinguir o processo conhecido como regressão nuclear onde o neutrino troca um Boson Z com o núcleo do átomo que compõe o detector .

Figura 1. Esquema de dispersão coerente de neutrinos com o núcleo. O bóssil Z trocado fará com que o núcleo retroceda e, em sua sequência, puxará os elétrons dos núcleos circundantes

Como resultado dessa troca, o núcleo retrai e expulsa elétrons dos átomos vizinhos à medida que passa , como mostrado na Figura 1. Estes elétrons ejetados são os que fornecerão informações sobre a quantidade de energia depositada pelo neutrino quando colidiu com o núcleo.

À medida que a energia trocada diminui, a quantidade de elétrons removidos diminuirá e, portanto, será necessário que o sistema experimental não introduza quase nenhum ruído eletrônico possível, caso contrário os elétrons gerados pelo elétron não serão distinguidos. aqueles do barulho.

CCDs ( Dispositivos acoplados de carga ou dispositivos acoplados de carga) são detectores de silício que podem detectar o recuo nuclear causado por neutrinos com baixas energias porque possuem duas características fundamentais: baixo ruído eletrônico e massa relativamente alto.

A combinação dessas duas propriedades permite a construção de um experimento para observar a colisão coerente de neutrinos com uma quantidade considerável de massa e ruído eletrônico quase nulo [2].

A grande vantagem que esses detectores têm é que eles são divididos em pequenos volumes chamados de pixels e cada um deles tem um potencial eletrostático onde os orifícios dos elétrons gerados como conseqüência do recuo nuclear serão armazenados.

A Figura 2 mostra o processo de geração e coleta de um evento produzido por este mecanismo. O campo elétrico externo empurrará os elétrons iniciados pelo núcleo e os potenciais localizados nas extremidades do CCD os manterão até que o sistema de leitura transfira as cargas geradas para o amplificador de saída que enviará os sinais para gerar as imagens a serem analisadas posteriormente .

O processo de leitura só introduz dois elétrons de ruído, de modo que o limiar de detecção para inversões nucleares é muito baixo, permitindo que os neutrinos detectem alguns MeV de energia, como os gerados em reatores nucleares.

Figura 2. Esquema do sistema de detecção de antineutrino através do processo de retração nuclear em um pixel particular do detector CCD.

A dificuldade em detectar Este tipo de evento é que outras fontes de partículas também têm impacto no detector e, portanto, confundem a detecção de antineutrino. Este tipo de evento é chamado de background e pode vir de várias fontes, sendo as principais a radioatividade ambiental presente em todos os lugares da Terra, os raios cósmicos que estão chegando do espaço em todos os momentos e também da contaminação radioativa dos materiais que formam o sistema experimental.

Para eliminar os eventos de radioatividade natural, os escudos são construídos com diferentes materiais como chumbo, polietileno e cobre, o que ajudará a bloquear as diferentes partículas do fundo radioativo ambiental. Esses escudos conseguem parar os raios gama presentes na superfície da Terra, mas eles não param os muões produzidos na estratosfera e que atravessam a Terra constantemente em um fluxo de um muão por minuto por centímetro quadrado.

Estes muões deixam vestígios no detector que são fáceis de distinguir, por isso, eles não representam um problema. No entanto, as coisas ficam complicadas quando interagem com os diferentes componentes do escudo do detector e produzem outras partículas de baixa energia que são confundidas com os sinais gerados pelos neutrinos.

Por este motivo é fundamental reconhecer os sinais produzidos pelos diferentes tipos de partículas que compõem o fundo seja natural ou produzido por raios cósmicos, para separá-los dos dados gerados para neutrinos.

O experimento CONNIE

Figura 3. a) Trailer onde o sistema experimental está instalado dentro do complexo nuclear Almirante Álvaro Alberto em Angra dos Reis. b) Castelo de proteção com os diferentes componentes do sistema experimental dos detectores CCD

O experimento CONNIE (nomeado por sua sigla em inglês Experiência de interação de núcleos neutrinos coerentes ), do qual a Faculdade de Engenharia da Universidade Nacional de Assunção (FIUNA) participa como membro fundador, busca detectar antineutrinos gerados no reator nuclear Angra 2, localizado na fábrica de Almirante Álvaro Alberto em Angra dos Reis, Brasil.

A Figura 3 (a) mostra a localização do trailer onde o sistema experimental está instalado. A Figura 3 (b) mostra o escudo que protege os CCDs, consistindo de uma camada externa de polietileno de 30 cm de espessura, 4 filas de tijolos de chumbo que formam uma camada de 15 cm de espessura, outra camada de 30 cm de polietileno e o recipiente de cobre cilíndrico que serve para manter o vácuo. Dentro desse cilindro está instalada a caixa de cobre que contém os detectores, como mostrado na figura 4.

A primeira etapa do experimento foi realizada de outubro de 2014 a julho de 2016, onde foram usados ​​apenas 2 g de detector. Nesta primeira fase, a operação, viabilidade e também o fundo radioativo que os CCDs enfrentam quando expostos a ambos os raios cósmicos e radioatividade natural foram estudados [3].

Para a segunda fase do experimento, foram incorporados mais detectores para atingir um total de 80 g. Atualmente, os dados estão sendo feitos com esta configuração até o final do ano, quando se espera que outra atualização incorpore mais detectores para aumentar a massa e, portanto, a probabilidade de interação dos antineutrinos com os detectores.

Figura 4. CONNIE sistema de detecção de dados de experiências. No canto superior esquerdo é um CCD de 16 milhões de pixels de 5,8 g. Abaixo, à esquerda, está a caixa com 14 CCDs instalados com os quais os dados estão sendo usados. À direita está o interior do cilindro de cobre onde a caixa CCD é observada e outro bloco de chumbo para proteger ainda mais os detectores são mantidos nos detectores a uma temperatura de -205 ° C.

Participação da FIUNA

Desde a criação do experimento em 2012, o FIUNA teve uma participação importante tanto na concepção do experimento quanto nas simulações necessárias para estudar sua viabilidade.

O suporte teórico dado pela concordância entre as simulações computacionais e os dados obtidos é decisivo para entender o que está registrado nos detectores.

Um exemplo de aplicação desta ferramenta consiste na identificação da origem das altas taxas de ruído de fundo capturadas pelos detectores, apesar de estarem bem cobertas por diferentes tipos de blindagem como mostrado na Fig. 3 ( b).

A Figura 5 mostra o espectro de energia obtido para os dados sobrepostos com as simulações. O acordo entre ambos os gráficos só pode ser obtido se houver uma contaminação intrínseca de raios gama de tijolos de chumbo.

Figura 5. Dados obtidos por um CCD no experimento CONNIE sobreposto com os resultados fornecidos pelas simulações realizadas através do programa Geant4. Através da comparação, você pode entender os diferentes componentes do ruído de fundo capturados pelos detectores.

Além do contributo nas simulações e na análise física do problema, o FIUNA também colabora no desenvolvimento de a eletrônica da leitura do CCD. Dois estudantes do Mestrado em Engenharia Eletrônica da FIUNA realizaram suas teses no desenvolvimento do novo sistema de leitura que permitirá a leitura simultânea de CCDs múltiplos, aumentando assim o número de detectores a serem instalados na próxima atualização.

Importância e aplicações

Compreender o processo de dispersão de neutrinos coerente é importante por dois motivos:

  1. Aplicações na indústria nuclear . Se os antineutrinos dos reatores nucleares pudessem ser detectados, sua atividade poderia ser monitorada, o que permitiria saber se o reator está sendo usado para o fabrico de armas nucleares sem ter que entrar nas instalações para verificar este procedimento.
  2. Contribuições para a ciência contemporânea . O estudo deste tipo de interações servirá para entender os processos relacionados em diferentes áreas da física, tais como:
    1. Astrofísica : em processos de transporte de neutrinos na criação de supernovas
    2. Na física de partículas : a detecção de dispersão coerente abriria uma nova janela para o estudo das oscilações de neutrinos e para o estudo de neutrinos estéreis
    3. Na busca de matéria escura : os sinais capturados pelos detectores devido à dispersão coerente representam o limite ao qual os experimentos de detecção direta de matéria escura chegarão, uma vez que após uma certa ponto eles apenas observarão os neutrinos que vêm do Sol e não as partículas de matéria escura (isto é chamado solo de neutrinos ).

Note-se que, embora a observação do processo de dispersão coerente pelo experimento COHERENT tenha conseguido demonstrar outra previsão do modelo padrão de física de partículas, ainda existem certas regiões do espectro de energia não contempladas neste modelo. A observação desse mesmo processo nas regiões de baixas energias indicaria uma nova física que ultrapassa o modelo consagrado do leste.

O mais fascinante é que todas essas contribuições podem ser confirmadas pela CONNIE, que dá um alcance muito importante a esta experiência, que já foi destacada pela revista Science como um dos marcos científicos do ano de 2017 .

Sem dúvida, do FIUNA, estamos orgulhosos de representar o país antes de um experimento de tal transcendência.


  1. A unidade de medida de MeV corresponde a 1 milhão de elétrons-volts, onde um elétron-volt é definido como a variação da energia cinética que um elétron experimenta à medida que passa pelo campo elétrico de um volt.

Referências

[1] J. Collar et al., " Observação de dispersão de Neutrino-Núcleo Elástico Coerente" COHERENT colaboração.

[2] Fernandez-Moroni G. et al., "Dispositivos acoplados de carga para a detecção de espalhamento coerente de neutrinos-núcleos" Phys. Rev. D 91, 072001 (2015).

[3] Aguilar Arevalo et al., " Resultados da execução de engenharia da Experiência de Interação do Núcleo Neutrino Coerente (CONNIE)", Journal of Instrumentation, Vol. 11, julho de 2016.

O Dr. Jorge Molina é um físico de partículas elementares e um Professor de Pesquisa com Dedicação Completa (Didcom) da Universidade Nacional de Assunção (UNA).

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