Cintilador

Um cintilador é uma substância que se acende quando uma partícula carregada a atravessa. Ao lado da radiação Cherenkov, ele é o segundo grande princípio de detecção da física de neutrinos — e o responsável por tudo o que é tênue demais para gerar um cone de luz.

Como surge o brilho

Uma partícula carregada que o atravessa arranca elétrons de suas ligações e leva moléculas a estados excitados. Essa excitação dura apenas nanossegundos. Ao decair, a molécula cede a energia em forma de um lampejo de luz.

Nos cintiladores orgânicos isso ocorre em dois passos. O solvente absorve a energia e a transmite a uma substância luminescente dissolvida, que emite luz ultravioleta. Um segundo aditivo, o deslocador de comprimento de onda, a converte em luz azul — pois só a ela as fotomultiplicadoras são sensíveis, e só a luz azul atravessa vinte metros de líquido sem ser absorvida.

Um cintilador líquido moderno é composto, por isso, de três componentes: o solvente, em geral alquilbenzeno linear, mais alguns poucos gramas de PPO por litro e alguns miligramas de um deslocador.

A vantagem decisiva

A diferença em relação à radiação Cherenkov está em um número. Um cintilador fornece por megaelétron-volt cerca de dez mil fótons; um detector de água chega a algumas centenas.

Desse rendimento luminoso cinquenta vezes maior segue-se todo o resto. A energia pode ser determinada com precisão muito maior e, sobretudo, o limiar de detecção cai drasticamente: tornam-se visíveis eventos de umas poucas centenas de quiloelétron-volts.

Foi precisamente nisso que se baseou o êxito do Borexino, que contou pela primeira vez neutrinos solares de baixa energia em tempo real — algo que com água não teria sido possível.

O preço disso: a luz é emitida igualmente em todas as direções. A direção da partícula se perde. Um detector de água como o Super-Kamiokande pode dizer de onde vinha um neutrino; um detector de cintilador não pode.

O sinal duplo

A segunda grande vantagem é a resolução temporal. Um cintilador responde no intervalo de poucos nanossegundos, e isso permite uma assinatura que Clyde Cowan e Frederick Reines inventaram em 1956 e que até hoje sustenta toda medição em reatores.

No decaimento beta inverso, um antineutrino atinge um próton e gera um pósitron e um nêutron. O pósitron se aniquila de imediato — primeiro lampejo. O nêutron vagueia por alguns microssegundos até ser capturado — segundo lampejo.

Dois lampejos com o intervalo temporal correto são praticamente inconfundíveis. Por isso o KamLAND, o Daya Bay e o JUNO trabalham todos com cintilador.

Cintiladores sólidos

Ao lado dos líquidos existem variantes cristalinas e plásticas.

Os cristais como o iodeto de sódio ou o iodeto de césio, dopados em cada caso com tálio, fornecem ainda mais luz e uma melhor resolução em energia. Eles são, no entanto, caros, sensíveis à umidade e não podem ser obtidos em grandes quantidades.

Os cintiladores plásticos podem ser moldados em qualquer forma e são baratos. Eles ficam em camadas entre placas de aço, por exemplo no MINOS, onde importa menos a resolução em energia do que a massa e a posição do traço.

A pureza como limite

Em energias baixas, a radioatividade natural do próprio detector se torna a adversária. Cada grama de material contém traços de urânio, tório e potássio — inofensivos no dia a dia, devastadores aqui.

O Borexino alcançou por isso uma pureza de cerca de um átomo de urânio para cada 10¹⁸ átomos do cintilador e foi com isso o lugar mais limpo do mundo. O desenvolvimento desses procedimentos de purificação durou mais que a construção da instalação — e é a razão pela qual o JUNO pode sequer almejar a mesma pureza em um volume setenta vezes maior.

Análise da forma do pulso

Um último artifício: a forma do lampejo de luz revela o tipo de partícula. Uma partícula alfa gera um pulso cuja cauda se prolonga um pouco mais que a de um elétron, porque ela deposita a energia de forma mais densa.

Com isso podem ser separados os eventos de fundo provenientes de decaimentos radioativos dos eventos de neutrinos autênticos — sem hardware adicional, unicamente a partir da forma temporal do sinal.

Termos relacionados

• Radiação Cherenkov — o outro princípio de detecção
• Borexino — a referência em matéria de pureza
• JUNO — a mesma técnica na maior escala
• Experimento Cowan-Reines — o sinal duplo

Fontes

• Colaboração Borexino: The Borexino detector at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Nuclear Instruments and Methods A 600, 568 (2009).
• Colaboração JUNO: JUNO Physics and Detector, Progress in Particle and Nuclear Physics 123, 103927 (2022).