DUNE
O DUNE — Deep Underground Neutrino Experiment — é o maior empreendimento de neutrinos atualmente em construção. Um feixe do Fermilab, perto de Chicago, deverá ser enviado por 1 300 quilômetros até Dakota do Sul e ali recebido em uma antiga mina de ouro.
A instalação
No Fermilab surge, com o LBNF, uma nova instalação de feixe. Ela deve trabalhar inicialmente com 1,2 megawatt e ser depois ampliada para mais do que o dobro — esse seria o feixe de neutrinos mais intenso do mundo. Um complexo de detectores próximos mede ali o que é enviado.
O detector distante fica 1 480 metros abaixo da superfície, na Sanford Underground Research Facility em Lead, Dakota do Sul — nas mesmas galerias em que outrora Raymond Davis conduziu o experimento Homestake. Para as cavernas foram removidas mais de 800 000 toneladas de rocha; a escavação foi concluída em 2024.
Estão planejados quatro módulos com cerca de 17 000 toneladas de argônio líquido cada um, resfriado a aproximadamente menos 186 graus Celsius.
Por que argônio líquido
Detectores anteriores, como o MINOS, eram feitos de aço e cintilador. Eles no fundo só veem para onde um múon foi — um rastro, uma direção, uma energia.
Uma câmara de projeção temporal com argônio líquido faz mais. Quando uma partícula carregada atravessa o argônio, ela deixa atrás de si um rastro de elétrons livres. Um campo elétrico puxa esses elétrons por vários metros até um plano de fios. A partir da posição no plano e do tempo de chegada reconstrói-se a trajetória em três dimensões — com uma resolução na faixa do milímetro.
O resultado assemelha-se a uma fotografia do evento. Reconhece-se não apenas que algo aconteceu, mas quais partículas estiveram envolvidas e como elas se ramificaram.
O preço disso é a pureza: já traços de oxigênio capturam os elétrons em deriva. O argônio precisa ser mantido limpo até poucas partes por trilhão.
As três perguntas
Os neutrinos violam a simetria CP? Se neutrinos e antineutrinos se comportarem de modo diferente, isso seria uma peça para explicar por que há matéria no universo. O T2K forneceu os primeiros indícios; o DUNE deve decidir a questão.
O longo percurso não é aqui um fim em si mesmo. Ao longo de 1 300 quilômetros o efeito MSW atua com tal intensidade que sua contribuição pode ser separada de modo limpo da violação de CP procurada — em percursos mais curtos as duas influências se misturam.
Qual massa de neutrino é a maior? O mesmo efeito responde ao mesmo tempo à pergunta sobre a ordem das massas dos neutrinos.
O próton decai? As grandes teorias unificadas preveem um decaimento do próton extremamente raro. O argônio líquido é mais sensível a determinados canais de decaimento que a água, razão pela qual o DUNE e o Hyper-Kamiokande se complementam nesse ponto.
A isso soma-se uma prontidão que não se pode planejar: se uma supernova explodir em nossa galáxia, o DUNE captaria dela milhares de neutrinos — e preferencialmente neutrinos eletrônicos, que os detectores de água enxergam pior. Os dois tipos de construção juntos dariam uma imagem mais completa do colapso do núcleo estelar do que cada um por si.
Situação
As cavernas estão escavadas, a montagem dos primeiros módulos está em curso. No CERN o protótipo ProtoDUNE testou a técnica na escala de várias centenas de toneladas — com duas formas construtivas diferentes da câmara de deriva, cada uma das quais será empregada em um dos dois primeiros módulos.
Segundo o planejamento atual, a operação de medição deve começar por volta do fim desta década. Em empreendimentos desse porte, os prazos costumam, pela experiência, deslocar-se. A colaboração reúne mais de 1 400 cientistas de mais de 30 países.
Termos relacionados
- Hyper-Kamiokande — a contraparte japonesa
- T2K — os primeiros indícios de CP
- Experimento Homestake — a mesma montanha, outra época
- Efeito MSW — por que o percurso é tão longo
Fontes
- Colaboração DUNE: Long-baseline neutrino oscillation physics potential of the DUNE experiment, European Physical Journal C 80, 978 (2020).
- Fermilab: LBNF/DUNE — descrição do projeto e estado das obras.