Megaprojetos
Observatório JUNO: Desvendando os Segredos da Massa dos Neutrinos
Capturando um Vislumbre da Partícula Mais Elusiva
A física fundamental sempre contou com uma mistura de teoria e experimentos para progredir em nossa compreensão do Universo.
Até hoje, uma das questões mais difíceis de responder é sobre a natureza fundamental da gravidade e das forças que dirigem o Universo. Já se sabe há muito tempo que a resposta provavelmente será encontrada em uma partícula elusiva e quase impossível de estudar: o neutrino.
Uma compreensão mais profunda da natureza dos neutrinos pode ser alcançada em breve graças a um megaprojeto chinês: JUNO, ou o Observatório de Neutrinos Subterrâneo de Jiangmen.
Este é um projeto massivo, envolvendo uma cooperação internacional extensa e anos de desenvolvimento.
Deve complementar os resultados do Experimento de Neutrinos Subterrâneo Profundo (DUNE), um detector de neutrinos americano que mede neutrinos através de 800 milhas da Terra (siga o link para uma explicação completa deste megaprojeto).
Fonte: DUNE
O que são Neutrinos?
Os neutrinos são partículas eletricamente neutras com uma massa extremamente pequena, tão pequena que por muito tempo se pensou que era nula.
Atualmente, não sabemos por que os neutrinos têm massa, exceto que parece funcionar de uma maneira diferente da de outras partículas.
O que torna os neutrinos únicos é que eles são essencialmente partículas “fantasmas”, interagindo muito pouco com outras formas de matéria. Isso ocorre porque os neutrinos interagem apenas com 2 das 4 forças fundamentais do Universo: gravidade e interação fraca.
Como a interação fraca tem um alcance muito curto e a gravidade afeta muito pouco os neutrinos de baixa massa, os neutrinos geralmente passam pela matéria sem interagir ou ser desacelerados. Como resultado, os neutrinos geralmente viajam quase à velocidade da luz.
Os neutrinos são partículas fundamentais que não podem ser divididas em componentes menores e vêm em 3 variantes: neutrinos de elétron, neutrinos de muão e neutrinos de tau. Para complicar ainda mais, os neutrinos parecem mudar regularmente entre essas 3 variantes.
A transição entre as 3 variantes de neutrinos está relacionada à massa de cada tipo de neutrino e contém respostas sobre a natureza fundamental da matéria e do Universo em si.
Também é possível que exista um 4º tipo de neutrino existir também, neutrinos estéreis, que interagiriam com a matéria apenas através da gravidade, tornando-o ainda mais difícil de detectar do que os outros.
A maioria dos neutrinos é produzida por reações nucleares, desde fusões nucleares em estrelas até decadência radioativa no centro da Terra. E dentro de reatores nucleares artificiais, um fato importante para o design do JUNO.
Apesar de sua elusividade, os neutrinos são considerados as partículas mais abundantes no Universo. Aproximadamente um trilhão de neutrinos passa por nossos corpos a cada segundo.
( Você pode aprender mais sobre neutrinos no site dedicado ” tudo sobre neutrinos” criado pelo Fermilab.)
Metas do JUNO – Figurando a Hierarquia de Massa de Neutrinos
O JUNO é construído especificamente para responder à pergunta da “hierarquia de massa de neutrinos”, a pergunta de qual tipo de neutrino tem qual peso.
Fonte: Berkeley Lab
Isso ainda é incerto, apesar de as massas dos neutrinos terem sido medidas, porque o que é medido é o “quadrado da massa” das partículas. Como resultado, a matemática permite 2 soluções possíveis para os resultados observados, a hierarquia normal ou invertida.
“Esperamos aprender como os léptons” — elétrons e seus parentes — surgiram nos momentos após o Big Bang, um processo que poderia explicar por que há mais matéria do que antimatéria no universo.
Responder a essas questões fundamentais só será possível se o valor de um termo chamado de “ângulo de mistura de neutrinos theta um três”, escrito θ13, for maior que zero.
Deslize para rolar →
| Tipo de Hierarquia | Ordem de Massa | Implicação |
|---|---|---|
| Hierarquia Normal | Mais leve = neutrino de elétron; mais pesado = neutrino de tau | Apoia extensões do modelo padrão |
| Hierarquia Invertida | Mais leve = neutrino de tau; mais pesado = neutrino de elétron | Aponta para nova física além do Modelo Padrão |
Projeto do JUNO
O Herdeiro do Experimento de Neutrinos de Reator de Daya Bay
O trabalho de follow-up do JUNO foi realizado no Experimento de Neutrinos de Reator de Daya Bay, que estava sendo realizado em colaboração com o Departamento de Energia dos EUA, em um momento em que a colaboração científica com a China era menos controversa.
Fonte: Wikipedia
Após a descoberta vencedora do Prêmio Nobel em torno de 2000 do fenômeno de oscilação de neutrinos atmosféricos e solares, as instalações de Daya Bay descobriram um novo modo de oscilação de neutrinos pela primeira vez em 2012, medindo com precisão o ângulo theta-13 mencionado anteriormente, exatamente para o que foi projetado.
Essa descoberta completou o quadro teórico da oscilação de neutrinos. Também forneceu orientação para experimentos de próxima geração para determinar a ordem de massa dos neutrinos.
Escolhendo o Local Certo
O detector de Daya Bay foi concebido para detectar os neutrinos produzidos pela Usina Nuclear de Daya Bay e pela Usina Nuclear de Ling Ao.
Fonte: ResearchGate
Inicialmente, o JUNO seria construído em um local próximo. Mas a construção de um terceiro reator nuclear (a Usina Nuclear de Lufeng) teria interrompido o experimento, pois depende de manter uma distância fixa para reatores nucleares próximos.
Então, foi construído em um local a 53 km (33 milhas) das usinas nucleares de Yangjiang e Taishan.
Fonte: ResearchGate
A razão pela qual a distância para as usinas nucleares é importante é que os neutrinos interagem muito pouco com a matéria, mas ainda assim o fazem.
E a interação com os elétrons dos átomos da Terra, ao longo de quilômetros de rochas, afeta a oscilação entre os tipos de neutrinos uns nos outros.
A distância maior, em comparação com os 2 km da instalação de Daya Bay, permite uma sensibilidade e capacidade de detecção de oscilação de neutrinos muito maior.
No entanto, também exige um nível muito melhor de blindagem e um detector muito maior para que um número suficiente de neutrinos de reator seja capturado.
Todo o complexo está enterrado a 700 metros de profundidade sob uma montanha para reduzir a taxa de eventos de raios cósmicos que interfeririam com a detecção das usinas nucleares próximas.
Fonte: Global Times
Essa escolha de design reduziu o efeito dos raios cósmicos, que de outra forma estariam obscurecendo o sinal dos neutrinos, em quase 100.000x.
Proposto em 2008 e aprovado pela Academia Chinesa de Ciências e pela Província de Guangdong em 2013, o JUNO começou a construção subterrânea em 2015.
A instalação do detector começou em dezembro de 2021 e foi concluída em dezembro de 2024.
JUNO detém uma vantagem de pioneirismo e apresenta um design experimental único em termos de física.
Como um projeto de colaboração internacional liderado pela China, o JUNO fortalecerá ainda mais a posição de liderança da China neste campo.”
Uma Piscina Gigante Cintilante
A estrutura principal do JUNO se assemelha a um melão submerso na água, com a esfera inteira formando o maior e mais preciso detector de neutrinos do mundo.
Para detectar a interação da matéria comum com neutrinos, é usada uma substância líquida cintilante. Quando um neutrino atinge, a energia é convertida em luz.
Fonte: The European Physics Journal
Essa luz é então capturada e amplificada por tubos fotomultiplicadores (PMTs) de 20 polegadas e tubos fotomultiplicadores de 3 polegadas, bem como cabos, bobinas de blindagem magnética, barreiras de luz e outros componentes.
O detector de líquido cintilante central no coração do JUNO pesa uma massa efetiva de 20.000 toneladas, alojado no centro de uma piscina de água de 44 metros de profundidade.
Fonte: Global Times
Um truss de aço inoxidável de 41,1 metros de diâmetro suporta a esfera de acrílico de 35,4 metros, o cintilador, 20.000 tubos fotomultiplicadores de 20 polegadas, 25.600 tubos fotomultiplicadores de 3 polegadas, eletrônica de frontend, cabos, bobinas de compensação antimagnética e painéis ópticos.
Todos os tubos fotomultiplicadores operam simultaneamente para capturar a luz cintilante das interações de neutrinos e convertê-la em sinais elétricos.
Fonte: ResearchGate
Volumes Maciços
Desde dezembro de 2024, a piscina que cerca o sistema foi preenchida com água ultrapura a uma taxa de 100 toneladas por hora.
Em 45 dias, a equipe preencheu 60.000 toneladas de água ultrapura, mantendo a diferença de nível de líquido entre as esferas de acrílico interna e externa dentro de centímetros e mantendo uma incerteza de taxa de fluxo abaixo de 0,5%, garantindo a integridade estrutural.
Fonte: IIHE
Esse nível de precisão e manutenção cuidadosa permitirá que a detecção de neutrinos seja comparável, mesmo que haja vários anos entre cada evento.
No geral, a instalação inteira deve operar por 30 anos ou mais.
“Exigiu não apenas novas ideias e tecnologias, mas também anos de planejamento cuidadoso, testes e perseverança. Atender aos requisitos rigorosos de pureza, estabilidade e segurança exigiu a dedicação de centenas de engenheiros e técnicos.”
A piscina protege o detector de interferência dos raios cósmicos raros, produzindo um sinal semelhante à detecção de neutrinos que conseguiu penetrar a montanha acima, bem como a radioatividade natural das rochas circundantes.
A injeção de líquido ocorrerá em duas etapas. Durante os primeiros dois meses, água ultrapura preencherá os espaços dentro e fora da esfera de acrílico do detector central.
Nos seis meses seguintes, a água ultrapura dentro da esfera será substituída por um cintilador líquido.
O JUNO concluiu com sucesso o preenchimento de seu detector de líquido cintilante de 20.000 toneladas e iniciou a coleta de dados em 26 de agosto de 2025.
Uma Colaboração Internacional
O JUNO é construído por uma grande equipe internacional com mais de 700 membros de 17 países e regiões. Até mesmo os EUA estão presentes na colaboração, por meio da Universidade da Califórnia (7 pessoas) e da Universidade de Maryland (2 pessoas), com a maioria dos outros parceiros internacionais sendo países europeus.
Os dados gerados também serão tratados por meio de recursos de pesquisa internacionais, com a participação do Instituto Chinês de Física de Alta Energia, do Istituto Nazionale di Fisica Nucleare CNAF da Itália, do Joint Institute for Nuclear Research da Rússia e do Centre de Calcul de l’IN2P3 da França.
Primeiros Resultados
Em 24 de agosto, a primeira colisão de neutrino com o líquido cintilante foi detectada, demonstrando que a instalação agora está pronta para produzir dados científicos.
Fonte: EyesOnSci
Esses pontos de dados iniciais indicam que, se algo, o JUNO está funcionando ainda melhor do que o esperado em termos de sensibilidade e precisão de medição.
Mas ainda levará algumas semanas ou meses para que a primeira medição concreta da massa de neutrinos seja confirmada, e mais tempo para que a comunidade científica valide esses resultados iniciais.
Futuras Atualizações e Experimentos de Neutrinos Globais
Atualização para Detectar Antineutrino
A primeira tarefa do JUNO é permitir que a humanidade saiba pela primeira vez a hierarquia de massa de neutrinos real. Isso tem sido, por décadas, uma peça que falta para entender partículas subatômicas e a base do Universo como um todo.
Armados com não apenas uma resposta, mas medições muito mais precisas do que antes, os físicos poderão usar as massas de neutrinos para avançar em outros campos da física subatômica e quântica.
Mais tarde, a alta sensibilidade do JUNO deve tornar possível atualizar a instalação para resolver a outra grande questão sobre neutrinos: os neutrinos são sua própria antipartícula?
A maioria das partículas tem uma antipartícula, com características inversas, como sua carga elétrica (e talvez massa). Mas como os neutrinos são neutros e de baixa massa, não está claro quais são as características das antipartículas.
Ao tornar possível a detecção e medição de uma reação chamada decaimento beta duplo sem neutrinos, que é um processo de decaimento radioativo teórico, poderia provar que as partículas de neutrino são suas próprias antipartículas, também chamadas de partícula de Majorana ou Fermião de Majorana.
Hyper-Kamiokand, DUNE e Outros
Hyper-Kamiokand, ou Hyper-K, é o sucessor do Super-Kamiokand, que encontrou em 1998 a primeira evidência forte da oscilação de neutrinos entre os tipos de neutrinos. O Super-Kamiokande também foi fundamental para provar que os neutrinos têm massa.
Ao contrário do DUNE ou do JUNO, que estão procurando construir um design completamente novo de experimento de neutrinos, o Hyper-K é mais uma atualização da tecnologia existente. Isso provavelmente ajudará a progredir mais rapidamente, com o início da operação tão cedo quanto 2027, por volta do mesmo tempo que o DUNE americano.
Isso poderia ajudar a fazer uma estimativa aproximada do desequilíbrio entre neutrinos e antineutrinos.
DUNE, Hyper-K e JUNO são os projetos de neutrinos que já estão em construção. Outros ainda estão na fase de conceito, mas podem desbloquear uma compreensão mais profunda da física de partículas.
Um deles é o ENUBET (Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging), um projeto europeu. Ele tentará detectar o lépton carregado criado cada vez que um neutrino é produzido. Isso poderia avançar em nossa compreensão do desequilíbrio entre matéria e antimatéria.
Outro é o NuTag, que usa uma técnica experimental nova: etiquetagem de neutrinos. Isso usaria uma nova linha de feixe de neutrinos. Este é um design que foi proposto em 1979, mas apenas recentemente os detectores de silício se tornaram capazes de sobreviver à exposição direta a um feixe de fonte de hadrões, tornando-o possível de ser construído.
Conclusão
O JUNO provavelmente será um experimento científico muito importante para resolver finalmente questões sobre a física que permanecem sem resposta há décadas e bloquearam o desenvolvimento de mais progressos na física teórica.
Embora isso possa parecer um pouco distante de nossas preocupações diárias, muitas de nossas tecnologias de ponta precisam de uma melhor compreensão dos neutrinos para progredir.
Por exemplo, um chip de computação quântica (Majorana-1) construído recentemente pela Microsoft literalmente criou um novo estado da matéria (topocondutores) usando uma partícula de Majorana, exatamente o tipo de partícula que o JUNO pode ajudar a entender melhor.
Portanto, projetos científicos internacionais avançados como o JUNO estão lá para estabelecer os blocos de construção que mais tarde são transformados em inovações revolucionárias.
Investindo em Inovadores de Neutrinos e Partículas de Majorana
Microsoft
(AAPL )
A Microsoft é uma das maiores empresas de tecnologia do mundo, tendo um quase monopólio em sistemas operacionais e uma posição muito forte em software B2B, por meio de seu software Office365, sistemas de computação em nuvem Azure, LinkedIn, bem como uma forte presença em videogames (Xbox e muitos dos maiores estúdios de videogames do mundo), anúncios e ferramentas de programação (GitHub).
A empresa também está muito ativa em IA, notadamente com o deploy de seu Copilot AI em todos os seus produtos. Os esforços de IA da Microsoft foram inicialmente por meio de uma colaboração com a OpenAI, e agora estão mais por conta própria.
Fonte: Microsoft
A Microsoft também está ativa em computação quântica, com o anúncio surpreendente de seu chip Majorana-1. Quando resfriado perto do zero absoluto e ajustado com campos magnéticos, esses dispositivos formam nanofios supercondutores topológicos, contendo os chamados Modos Zero de Majorana (MZMs) nas extremidades dos fios.
Fonte: Microsoft
( Você pode ler mais sobre todas as atividades comerciais e oportunidades da Microsoft em nosso relatório de investimento dedicado à empresa.)
Neutrino Energy
Embora a ciência dos neutrinos esteja rica em potenciais aplicações futuras, parece estar longe de ser usada regularmente para aplicações comerciais. Isso pode estar mudando, de acordo com uma startup alemã particularmente ambiciosa, a Neutrino Energy.
A empresa está explorando o conceito muito novo de neutrinovoltaicos, ou a geração de eletricidade a partir do fluxo constante de neutrinos ao nosso redor. Como isso funciona é usando uma camada de grafeno, um material 2D feito de carbono (siga o link para uma explicação completa de materiais 2D como grafeno ou goldene).
Esse método visa converter o movimento constante dos átomos de grafeno, influenciado pela radiação e partículas circundantes, como neutrinos, em eletricidade usável. Embora promissor na teoria, o processo ainda é não comprovado e permanece altamente experimental. Um fenômeno semelhante está acontecendo com o grafeno, com neutrinos “empurrando” os núcleos atômicos, como com átomos de argônio no detector de neutrinos DUNE.
A empresa anunciou seu primeiro protótipo, chamado Powercube, que deve demonstrar a tecnologia desenvolvida com a ajuda da IA.
A empresa também está trabalhando com o Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) na Índia, visando “criar um veículo elétrico auto-carregável alimentado pela tecnologia de neutrinovoltaico”.
É difícil dizer quão perto a concepção está da comercialização, pois parece que, por enquanto, é apenas uma concepção com pouca revelação sobre a saída de energia potencial ou economia. Mas isso é definitivamente o mais próximo de uma “empresa de neutrinos” atualmente no mercado.
