KamLAND
O KamLAND — Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector — fica naquela caverna do Japão em que antes trabalhava o detector Kamiokande. Ele entrou em operação em 2002 e forneceu o resultado que fixou definitivamente a oscilação de neutrinos.
A construção
No centro pende um balão de película plástica finíssima com 1 000 toneladas de cintilador, cercado por um líquido tampão, por um tanque de aço com 1 879 fotomultiplicadores e, por último, por um invólucro de água. Acima disso há 1 000 metros de rocha.
Detectam-se antineutrinos pelo decaimento beta inverso — com a mesma coincidência retardada de dois lampejos de luz que Cowan e Reines haviam inventado em 1956.
Que a instalação pudesse surgir em uma caverna já existente economizou anos. O Kamiokande havia sido substituído em 1996 pelo Super-Kamiokande e estava vazio.
Um país inteiro como fonte
A particularidade do KamLAND é a fonte. Em vez de um único reator, o detector utiliza todas as usinas nucleares do Japão — na época da construção, cerca de 55 reatores, distribuídos pelo país, em média a uns 180 quilômetros de distância.
Essa distância era o ponto decisivo. Experimentos anteriores com reatores tinham separações de poucas centenas de metros até um quilômetro e nada encontraram. Em 180 quilômetros, ao contrário, situa-se exatamente a faixa em que a oscilação deduzida dos neutrinos solares deveria atuar.
Com isso podia-se decidir uma questão que todas as medições solares deixavam em aberto: o mesmo efeito se mostra também em uma fonte que se conhece, cuja intensidade se pode calcular e que está na Terra?
O desaparecimento
Em 2002 o KamLAND comunicou que faltavam antineutrinos. Cerca de 40 por cento da taxa esperada não chegavam.
Isso sozinho não confirmava necessariamente a oscilação — também outras explicações teriam produzido um déficit. Decaimento dos neutrinos no trajeto, uma fuga para dimensões espaciais adicionais: ambos haviam sido seriamente considerados.
A forma de onda
O verdadeiro triunfo veio dois anos depois. Com mais dados foi possível não apenas contar quantos faltam, mas também em que energia.
E ali se mostrou a forma característica: um vale no espectro, depois uma nova subida, depois um segundo vale. É exatamente assim que se vê uma oscilação quando se a representa em função da energia — a probabilidade oscila de um lado para outro.
Um decaimento dos neutrinos teria resultado em um espectro que cai suavemente; uma fuga para dimensões extras, em outro diferente. Só a oscilação gera ondas.
Com isso a interpretação do problema dos neutrinos solares ficou confirmada independentemente de qualquer suposição sobre o Sol, e a diferença de massas correspondente ficou determinada com precisão de poucos por cento.
O olhar para o interior da Terra
Em 2005 o KamLAND comunicou a primeira detecção de geoneutrinos — antineutrinos vindos do decaimento radioativo de urânio e tório no manto e na crosta terrestres.
O local japonês é em si desfavorável para isso, porque os muitos reatores geram um fundo intenso. Após o desligamento de quase todas as usinas nucleares japonesas a partir de 2011, as condições melhoraram involuntariamente de modo considerável — um caso raro em que um experimento se beneficiou de um acontecimento fora da ciência.
KamLAND-Zen
Desde 2011 pende no interior um balão adicional, menor, com xenônio-136, dissolvido no cintilador. Com ele a colaboração busca o duplo decaimento beta sem neutrinos — aquele processo que mostraria que o neutrino é sua própria antipartícula.
O modo de construção é notavelmente econômico: em vez de erguer um detector novo, completa-se o existente com um volume dentro do volume. O xenônio pode ademais ser extraído e reintroduzido, o que permite modificações.
O decaimento não foi encontrado. Os limites inferiores para a meia-vida figuram entre os mais rigorosos do mundo.
Termos relacionados
- Neutrinos de reator — a fonte
- Daya Bay — o outro grande experimento com reatores
- Geoneutrinos — o olhar para o interior da Terra
- JUNO — o sucessor em escala vinte vezes maior
Fontes
- Colaboração KamLAND: First Results from KamLAND: Evidence for Reactor Antineutrino Disappearance, Physical Review Letters 90, 021802 (2003).
- Colaboração KamLAND: Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND, Nature 436, 499 (2005).