Megaprojetos
Experimento de Neutrinos Profundos Subterrâneos (DUNE): Decifrando os Mistérios do Universo
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Capturando um Vislumbre da Partícula Mais Elusiva
A física fundamental sempre se baseou em uma combinação de teoria e experimentos para avançar 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. Há muito tempo se sabe que a resposta provavelmente será encontrada em uma partícula elusiva e quase impossível de estudar: o neutrino.
Este é o objetivo do megaprojeto Deep Underground Neutrino Experiment, aka ‘DUNE.’ É um empreendimento impressionante que se estende por vários estados dos EUA e envolve mais de 800 milhas /1.300 km de experimentos subterrâneos.
O que são os Neutrinos?
Os neutrinos são partículas eletricamente neutras com uma massa extremamente pequena que há muito tempo se acreditava ser nula. Atualmente, não sabemos por que os neutrinos têm massa, exceto que parece funcionar de maneira diferente das outras partículas.
O que torna os neutrinos únicos é que eles são essencialmente “partículas fantasma”, interagindo muito pouco com outras formas de matéria. Isso ocorre porque os neutrinos interagem apenas com 2 dos 4 forças fundamentais do Universo: gravidade e interação fraca.
Como a interação fraca tem um alcance muito curto, e a gravidade mal afeta os neutrinos de baixa massa, os neutrinos geralmente atravessam a matéria sem interagir ou ser desacelerados. Como resultado, os neutrinos normalmente viajam quase na velocidade da luz.
Os neutrinos são partículas fundamentais que não podem ser divididas em componentes menores e existem em 3 variantes: neutrinos eletrônicos, neutrinos múon e neutrinos tau. Para complicar ainda mais, os neutrinos parecem mudar regularmente entre essas 3 variantes.
Também é possível que exista um 4º tipo, os neutrinos estéreis, ainda mais difíceis de detectar que os demais.
A maioria dos neutrinos é produzida por reações nucleares, desde fusões nucleares em estrelas até decaimento radioativo no centro da Terra.
Apesar de sua elusividade, acredita‑se que os neutrinos sejam as partículas mais abundantes do Universo. Aproximadamente mil trilhões de neutrinos atravessam nosso corpo a cada segundo.
Você pode aprender mais sobre neutrinos no site dedicado “all things neutrinos” criado pelo Fermilab.
Design do DUNE
Como detectar e estudar uma partícula que viaja na velocidade da luz e ainda não interage com a matéria normal? Essa é a questão que o DUNE busca responder.
O DUNE se estenderá entre o Fermilab, o laboratório americano de física de partículas e aceleradores em Illinois, e o Sanford Underground Research Facility (SURF ou Sanford Lab) em Dakota do Sul.
Fonte: DUNE
Os diferentes locais terão cada um sua tarefa especializada a cumprir.
Fermilab
Um acelerador de prótons chamado Proton Improvement Plan-II (PIP-II) é usado no site do Fermilab para criar um fluxo de neutrinos. PIP-II é uma atualização da aceleração de partículas anterior no Fermilab. Ele usa tecnologias de radiofrequência supercondutora para fornecer feixes de prótons poderosos que, viajando quase na velocidade da luz, podem ser adaptados para um conjunto diversificado de experimentos.
As estruturas de aceleração serão resfriadas a 2°K (-456°F / -271°C , 2 graus acima do zero absoluto) para proporcionar aceleração eficiente e de alta potência.
Esse resfriamento é conseguido graças a uma unidade de refrigeração gigantesca, do tamanho de um armazém, que ainda está em construção.
Fonte: Fermilab
Uma parte da unidade de refrigeração, o cryogenic coldbox, foi construída na Europa pelo CERN e chegou ao Fermilab em dezembro de 2024.
Fonte: Fermilab
O Fermilab também terá um detector que registrará interações de partículas perto da fonte do feixe. Uma colina de 18 metros de altura (60 pés) foi construída para inclinar a linha do feixe no ângulo correto e enviar neutrinos em direção a Dakota do Sul. O feixe de partículas está apontado para baixo para levar em conta a curvatura da Terra e não é interrompido pelos 800 milhas de rocha entre os dois pontos.
Fonte: Fermilab
Sanford Underground Research Facility (SURF)
O SURF abrigará o maior detector de neutrinos do mundo do seu tipo já construído. Ele usará 70.000 toneladas de argônio líquido para capturar o neutrino interagindo com a matéria normal.
No total, serão construídos 4 módulos de detector, apoiados por grandes sistemas de suporte criogênico.
Fonte: Fermilab
Isso está sendo construído profundamente subterrâneo, a 1 milha / 1,5 km de profundidade, reaproveitando um antigo poço de mina de ouro para cavar uma enorme caverna artificial subterrânea.
No total, cerca de 800.000 toneladas de rocha foram escavadas para criar espaço para os quatro módulos do detector distante do DUNE e para as utilidades necessárias subterrâneas. Essas rochas foram despejadas em uma área de mineração antiga.
Fonte: Fermilab
Juntos, o acelerador de prótons do Fermilab, o detector e os detectores de neutrinos do SURF formam a Long‑Baseline Neutrino Facility (LBNF).
O que o DUNE pode alcançar?
Sempre é difícil prever exatamente o que um experimento de física de partículas alcançará, o que, afinal, é o objetivo. No entanto, podemos esperar progresso em três tópicos diferentes a partir do projeto DUNE.
Origem da Matéria
Desde a explosão inicial de matéria e antimatéria no Big Bang, a matéria tornou‑se a partícula dominante no Universo. Ainda não está claro por quê, já que acredita‑se que ambas foram criadas em quantidades iguais.
Os neutrinos podem ser a resposta. Alguns físicos pensam que os neutrinos são únicos porque são também suas próprias antipartículas. Outros acreditam que a mudança de sabores dos neutrinos pode ser a parte importante. Em qualquer caso, os neutrinos podem ter inclinado a balança em direção ao domínio da matéria hoje.
Alternativamente, se ficar provado que os neutrinos não são responsáveis, isso significaria que os físicos terão que redesenhar suas teorias sobre a origem do Universo.
Unificação das Forças
A conexão entre as 4 forças fundamentais (eletromagnetismo, interação fraca, interação forte e gravidade) ainda é pouco compreendida.
O DUNE poderia ajudar a detectar algo teorizado, mas nunca observado experimentalmente: a decadência de prótons.
Os físicos hoje dependem principalmente do Modelo Padrão da física de partículas. É uma estrutura sólida, mas falha em explicar alguns fenômenos e em unificar as diferentes forças. Se a decadência de prótons for medida, isso nos daria insight sobre qual modelo alternativo funcionaria em vez das teorias de Grande Unificação (GUTs), gravidade quântica, supersimetria, etc.
Buracos Negros
Neutrinos são produzidos em grandes quantidades durante o colapso de estrelas em buracos negros. A extraordinária capacidade de detecção de neutrinos do DUNE poderia nos ajudar a observar o que acontece dentro de estrelas de nêutrons e, potencialmente, testemunhar o nascimento de um buraco negro.
Isso, por sua vez, poderia nos ajudar a entender melhor a gravidade, tanto em escala cósmica quanto quântica.
Pessoas do DUNE
O DUNE envolve mais de 30 países e 1.000 cientistas.
Fonte: DUNE
Seria impossível delinear a contribuição de cada cientista para este enorme projeto coletivo. Podemos, porém, destacar a participação de alguns deles:
Pantaleo Raimondi
Ele é o novo diretor de projeto para o Proton Improvement Plan II, após uma vida inteira trabalhando em aceleradores de partículas no CERN, DAFNE e ESFR.
“Pantaleo juntou‑se ao PIP‑II no momento certo. À medida que o projeto finaliza todas as atividades de design final, avança na fase de aquisição e começa o planejamento detalhado de integração e comissionamento, sua experiência de liderar esses esforços no ESRF e em outros lugares será inestimável.”
Carlo Rubia
Um laureado com o Nobel e ex‑diretor do CERN, ele desenvolveu primeiro o método de detecção de neutrinos usado pelo DUNE.
Durante seu mandato, em 1993, “O CERN concordou em permitir que qualquer pessoa usasse o protocolo e o código da Web gratuitamente … sem royalties ou quaisquer outras restrições”.
Você pode ouvi‑lo falando sobre o projeto DUNE e outros projetos de pesquisa de neutrinos como ICARUS neste vídeo.
Alexandre Sousa
Especialista em neutrinos, ele tem foco especial em neutrinos estéreis e “física além do modelo padrão”.
“Pode não fazer diferença no seu dia a dia, mas estamos tentando entender por que estamos aqui. Os neutrinos parecem conter a chave para responder a essas questões muito profundas.
“Com esses dois módulos de detector e o feixe de neutrinos mais poderoso de todos os tempos, podemos fazer muita ciência. O DUNE entrando em operação será extremamente empolgante. Será o melhor experimento de neutrinos de todos os tempos.”
Custos Crescentes & Cronograma
A construção do projeto começou em 2017, e a primeira escavação em Dakota começou em 2019. A primeira escavação para a caverna principal em Dakota iniciou em 2021.
Em agosto de 2024, o detector protótipo registrou seus primeiros neutrinos produzidos por acelerador.
Fonte: DUNE
Não tem sido, porém, um processo simples. Por exemplo, o poço da mina precisou ser reformado antes que a rocha pudesse ser extraída para construir as cavernas subterrâneas, atrasando o projeto e custando pelo menos US$ 300 milhões adicionais.
A atualização do acelerador de partículas do Fermilab trouxe outra conta de US$ 1 bilhão. A atualização também resultou em um grave incidente, com um trabalhador caindo 23 pés sobre concreto, levando a uma interrupção de meio ano na construção até que os procedimentos de segurança fossem revisados.
No geral, as estimativas iniciais do projeto colocavam o custo em US$ 1,5 bilhão e a conclusão para 2035. Agora parece mais provável US$ 3,3 bilhões e um prazo para 2040. Considerando tudo, o projeto pode custar até US$ 5 bilhões aos contribuintes americanos.
Isso levou a algumas críticas na imprensa e por cientistas não envolvidos.
“Sim, há algum barulho por aí, mas as pessoas que escrevem essas coisas não sabem do que estão falando. Os primeiros dias de um projeto são sempre definidos por um otimismo avassalador que nunca se comprova.
O Telescópio Espacial James Webb foi lançado em dezembro de 2021 após anos de atrasos e estouros de custos, e agora rompe fronteiras cósmicas regularmente. Não há remédio como o sucesso.”
Ron Ray, vice‑diretor de projeto do DUNE
No entanto, mesmo com atrasos e custos extras, desistir do DUNE significaria ver os EUA ficando atrás do resto do mundo em física de partículas.
Competição em Ascensão
Isso é especialmente o caso, pois dois outros megaprojetos de experimentação com neutrinos também estão em ascensão. Um no Japão e outro na China.
“Qualquer coisa que valha a pena fazer envolve competição. Mas isso não é uma simples corrida de cavalos; experimentos de neutrinos sempre envolveram colaboração internacional.
Além disso, o DUNE tem metas adicionais, que incluem a busca por matéria escura, a substância invisível que compõe a maior parte do cosmos, e o estudo de neutrinos provenientes das mortes cataclísmicas de estrelas distantes.
Nos bastidores, cientistas do DUNE têm feito progresso constante na perfeição do detector de argônio líquido, que ainda era uma tecnologia nascente em 2012, quando os projetistas do DUNE apostaram nele. Eu olho para toda a lista de coisas que poderiam ter sido diferentes e parece que todas as estrelas estão se alinhando.”
Sam Zeller – Físico no Fermilab
Hyper‑Kamiokand
Hyper‑Kamiokand, ou Hyper‑K, é o sucessor do Super‑Kamiokand, que em 1998 encontrou a primeira forte evidência da oscilação dos neutrinos entre tipos. O Super‑Kamiokand também foi fundamental para provar que os neutrinos têm massa.
Ao contrário do DUNE, que está planejando construir um design totalmente novo de experimento de neutrinos, o Hyper‑K é mais uma atualização da tecnologia existente. Isso provavelmente ajudará seu progresso mais rápido, com início de operação já em 2027.
Isso poderia ajudá‑lo a fazer, primeiro, uma estimativa aproximada do desequilíbrio entre neutrinos e antineutrinos.
Hyper‑K e DUNE podem ser mais parceiros do que concorrentes, já que diferentes métodos de detecção de neutrinos podem ajudar ao realizar a mesma medição. Algumas medições específicas podem também funcionar melhor em um do que no outro por razões técnicas. Como Japão e EUA têm uma longa história de colaboração científica, é provável que seja mais uma rivalidade amigável entre Hyper‑K e DUNE.
Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO)
No contexto da competição de grandes potências entre EUA e China, o JUNO provavelmente será visto como concorrente do DUNE.
JUNO tem uma vantagem de pioneirismo e apresenta um design experimental único em termos de física. Como um projeto colaborativo internacional liderado pela China, o JUNO reforçará ainda mais a posição de liderança da China neste campo.”
O detector é feito a partir de um reservatório cilíndrico de 44 metros de profundidade na câmara subterrânea enterrada profundamente em uma camada de granito de uma colina. Desde dezembro de 2024, ele tem sido preenchido com água ultra‑pura à taxa de 100 toneladas por hora.
Fonte: Global Times
Este reservatório abriga o detector, que está equipado com 20.000 fotomultiplicadores de 20 polegadas e 25.000 fotomultiplicadores de três polegadas, além de cabos, bobinas de blindagem magnética, defletores de luz e outros componentes.
O reservatório protege o detector da interferência de raios cósmicos na detecção de neutrinos, bem como da radioatividade natural da rocha circundante.
A injeção de líquido ocorrerá em duas etapas. Durante os primeiros dois meses, água ultra‑pura preencherá os espaços dentro e fora da esfera acrílica do detector central. Nos seis meses seguintes, a água ultra‑pura dentro da esfera será substituída por um escintilador líquido.
Todo o processo de injeção de líquido deve ser concluído até agosto de 2025, após o qual a instalação iniciará oficialmente a operação e a coleta de dados.
Projetos Futuramente de Neutrinos
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 maior compreensão da física de partículas.
Um deles é Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET), um projeto europeu. Ele tentará detectar o lépton carregado criado toda vez que um neutrino é produzido. Isso poderia aprofundar nossa compreensão do desequilíbrio entre matéria e antimatéria.
Outro é NuTag, usando uma técnica experimental inovadora: marcação de neutrinos. Isso utilizaria um novo tipo de linha de feixe de neutrinos. Esse design já foi proposto em 1979, mas só recentemente os detectores de silício se tornaram capazes de sobreviver à exposição direta a um feixe de fonte de hádrons.
Conclusão do DUNE
O DUNE é o tipo de megaprojeto científico que não parece ter uma aplicação direta à primeira vista. Nesse sentido, ele é muito semelhante à maioria das ciências de física de partículas e física quântica do início do século 20.
Essa investigação precoce do aspecto fundamental da nossa realidade, porém, acabaria produzindo resultados necessários para progressos como energia nuclear (e bombas), microscopia eletrônica, microchips avançados, satélites, etc.
É provável que uma compreensão mais profunda dos neutrinos tenha resultados semelhantes a longo prazo no progresso tecnológico, com a maioria dos avanços décadas à frente impossíveis de prever.
Melhor compreender os neutrinos e como produzi‑los também poderia ter uma variedade de aplicações:
- Transformar combustível gasto de reatores nucleares em materiais com menor radioatividade, ou usar neutrinos para monitorar combustível radioativo.
- Usar neutrinos para monitorar submarinos nucleares submersos, foco do programa secreto de Detectores Experimentais de Neutrinos da DARPA.
- Inspecionar a Terra em busca de cavidades com potenciais depósitos de petróleo ou minerais.
- Comunicação por neutrinos, potencialmente até comunicações interestelares no futuro distante.
Empresa de Neutrinos
Neutrino Energy
Embora rica em potenciais aplicações futuras, a ciência dos neutrinos parece estar longe de ser usada regularmente em aplicações comerciais. Isso pode estar mudando de acordo com uma startup privada alemã muito ambiciosa, Neutrino Energy.
A empresa está explorando o conceito muito novo de neutrinovoltaics, 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 material 2D como grafeno ou goldene).
Esse método converteria o movimento térmico (browniano) dos átomos de grafeno em eletricidade utilizável, essencialmente produzindo energia do nada. Um fenômeno semelhante ocorre com o grafeno, com neutrinos “empurrando” os núcleos atômicos, como acontece com átomos de argônio no detector de neutrinos do DUNE.
A empresa tem anunciado seu primeiro protótipo próximo, chamado Powercube, que deve demonstrar a tecnologia, desenvolvida com a assistência de IA.
A empresa também tem trabalhado com o Centro para Materiais de Tecnologia Eletrônica (CMET) na Índia, visando “criar um veículo elétrico auto‑carregável alimentado por tecnologia neutrinovoltaica”.
É difícil dizer quão próximo de qualquer comercialização o conceito está, pois parece que, por enquanto, é apenas isso, um conceito com pouca revelação sobre o potencial de produção de energia ou economia. Mas este é definitivamente o mais próximo de uma “empresa de neutrinos” atualmente no mercado.
