DONUT

O DONUT — Direct Observation of the Nu Tau — foi um experimento no Fermilab que no ano 2000 detectou o neutrino tauônico. Ele era a última das doze partículas de matéria do Modelo Padrão que ainda faltava.

Um quarto de século de espera

Martin Perl havia descoberto em 1975 o lépton tau e com isso inaugurado uma terceira família de léptons. Como a cada lépton carregado corresponde um neutrino próprio, era de esperar um terceiro.

Dúvidas quase não havia. Em 1989 a medição da largura de decaimento do bóson Z no CERN mostrou que existem exatamente três tipos leves de neutrino — não dois, não quatro. Mas o terceiro nunca havia sido visto.

A razão está na própria detecção. Um neutrino tauônico só se revela ao gerar um lépton tau. Este vive cerca de 0,3 trilionésimos de segundo e percorre nesse tempo cerca de um terço de milímetro antes de decair. É preciso, portanto, ver um rastro de menos de um milímetro de comprimento — e nele um cotovelo.

Nenhum detector eletrônico resolve isso. As câmaras de fios mais finas chegam a alguns décimos de milímetro.

A produção do feixe

O DONUT precisava primeiro fabricar seus neutrinos tauônicos. Um feixe de prótons de 800 gigaelétrons-volt atingia um bloco de tungstênio. Nesse processo surgem, entre outras coisas, mésons D_s — partículas pesadas com um quark charm, que em pequena parte decaem em um lépton tau e um neutrino tauônico.

Todo o resto era mantido afastado: o bloco de tungstênio detinha os hádrons, campos magnéticos desviavam as partículas carregadas, a blindagem absorvia o restante. Sobrava um feixe de neutrinos no qual, ao lado dos neutrinos eletrônicos e muônicos, havia uma fração de cerca de cinco por cento de neutrinos tauônicos.

O retorno à chapa fotográfica

Para a detecção o DONUT recorreu a uma técnica que vem dos primórdios da física de partículas: a emulsão fotográfica.

O detector era composto de camadas de aço e de filme de emulsão. O aço fornece a massa, para que uma interação de fato ocorra. A emulsão registra os rastros de partículas carregadas com uma resolução inferior a um micrômetro — mil vezes mais fina que a de qualquer detector eletrônico.

O preço disso é o esforço. Um filme armazena tudo o que algum dia passou por ele e não pode ser lido como um chip. Por isso detectores eletrônicos indicavam grosseiramente onde algo havia acontecido; as chapas de emulsão em questão eram então reveladas e examinadas automaticamente ao microscópio.

Quatro eventos

De cerca de seis milhões de interações registradas restaram, após a seleção, cerca de mil candidatos. No fim, quatro exibiam o inconfundível cotovelo.

Quatro eventos como base de uma descoberta — isso soa escasso. Decisiva é a comparação com o fundo esperado, e este era de cerca de 0,3 eventos. A probabilidade de obter por acaso quatro rastros desse tipo é ínfima.

A colaboração anunciou a descoberta em julho de 2000. Uma análise posterior e refinada do conjunto completo de dados elevou o número para nove eventos.

O que com isso se alcançou

Com o DONUT todas as doze partículas de matéria do Modelo Padrão estavam detectadas: seis quarks e seis léptons, entre eles três neutrinos. À parte o bóson de Higgs, que veio em 2012, o edifício estava completo.

Para a física de neutrinos isso teve consequências imediatas. A oscilação de neutrinos é descrita como transição entre exatamente esses três tipos, e a matriz PMNS tem três linhas e três colunas. Enquanto o terceiro tipo era apenas inferido, restava uma lacuna nessa cadeia de provas.

O DONUT a fechou. Quinze anos depois, o OPERA mostrou, com a mesma técnica de emulsão, que neutrinos muônicos de fato se transformam em neutrinos tauônicos no caminho — com o que o círculo se fechou.

Termos relacionados

• OPERA — a detecção da transformação
• Martin Perl — descobridor do lépton tau
• Lépton — as três famílias
• Bósons W e Z — a medição do número de famílias

Fontes

• Colaboração DONUT (K. Kodama et al.): Observation of tau neutrino interactions, Physics Letters B 504, 218 (2001).
• Colaboração DONUT: Final tau-neutrino results from the DONuT experiment, Physical Review D 78, 052002 (2008).