COHERENT
COHERENT é a colaboração que em 2017 saldou uma previsão pendente havia 43 anos: ela detectou pela primeira vez o espalhamento elástico coerente neutrino-núcleo. O trabalho apareceu em 15 de setembro de 2017 na Science e está entre os resultados mais citados da física de neutrinos.
O arranjo experimental
A detecção foi obtida na fonte de nêutrons por espalação do Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee. Ali um feixe pulsado de prótons atinge um alvo de mercúrio; ao lado de nêutrons surgem nesse processo píons, que decaem em múons e neutrinos. O resultado é uma das fontes mais intensas de neutrinos na faixa de poucas dezenas de MeV — exatamente a janela de energia em que ocorre o espalhamento coerente.
O detector era notavelmente pequeno: um cristal cintilador de iodeto de césio com adição de sódio, pesando 14,6 quilogramas. Para comparação, outros experimentos de neutrinos precisam de milhares de toneladas. É exatamente esse o ponto do espalhamento coerente — sua seção de choque é tanto maior que basta um detector do tamanho de uma melancia.
O feixe pulsado foi o segundo truque. Como os neutrinos chegam em janelas de tempo nitidamente definidas, foi possível separar o sinal do fundo simplesmente olhando apenas no nanossegundo certo.
O resultado
Após quinze meses de tempo de medição, a detecção estava em 6,7 σ — nitidamente acima dos 5 σ que valem na física de partículas como limiar de descoberta. O número de eventos observados concordava com a previsão do Modelo Padrão.
Com isso confirmou-se também a assinatura característica do processo: a seção de choque cresce com o quadrado do número de nêutrons do núcleo do alvo. Isso não é um detalhe, mas a impressão digital da coerência — o núcleo reage como um todo, não como um aglomerado de núcleons individuais.
Em 2020 a colaboração voltou à carga com argônio e detectou o processo em um segundo material nuclear. Em 2022 seguiram-se as medições em iodeto de césio com estatística nitidamente melhorada.
Por que demorou tanto
Daniel Z. Freedman previu o processo em 1974 e escreveu já então que sua detecção seria difícil — não porque a interação fosse rara, mas porque ela deixa muito pouco para trás. O núcleo atômico atingido move-se apenas alguns quiloelétrons-volt, um recuo na faixa de poucos nanômetros. Medir sinais desse tipo exigiu quatro décadas de progresso em técnica de detectores, refrigeração e supressão de fundo.
Que no fim tenha sido um detector de 14,6 quilogramas a decidir a questão está entre as belas reviravoltas dessa história.
Significado
Para a física fundamental o COHERENT abriu uma nova janela: o espalhamento coerente é sensível a física além do Modelo Padrão e serve entretanto como ferramenta para medir a carga fraca nuclear e possíveis novas interações. Ele é, além disso, o fundo inevitável para detectores que procuram matéria escura — a chamada névoa de neutrinos.
Para a neutrinovoltaica o COHERENT é a segunda das três âncoras. O Prêmio Nobel de 2015 mostrou que os neutrinos carregam massa e com ela momento; o COHERENT mostrou em 2017 que esse momento de fato passa para um núcleo atômico — e isso pelo maior canal que existe em baixas energias.
Termos relacionados
- Espalhamento elástico coerente neutrino-núcleo — o processo detectado
- Seção de choque — por que a dependência com N² conta
- Prêmio Nobel de Física de 2015 — a primeira âncora
- Oscilação de neutrinos — a descoberta por trás disso
- A equação mestra — onde essa seção de choque entra
Fontes
- D. Akimov et al. (Colaboração COHERENT): Observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering. Science 357, 1123–1126 (2017).
- D. Akimov et al.: First measurement of coherent elastic neutrino-nucleus scattering on argon. Physical Review Letters 126, 012002 (2021).
- D. Akimov et al.: Measurement of the coherent elastic neutrino-nucleus scattering cross section on CsI. Physical Review Letters 129, 081801 (2022).
- D. Z. Freedman: Physical Review D 9, 1389 (1974).