MINOS
O MINOS — Main Injector Neutrino Oscillation Search — foi um experimento de neutrinos entre o Fermilab, perto de Chicago, e uma mina de ferro desativada em Minnesota. Ele funcionou de 2005 a 2016 e transformou a oscilação de neutrinos em uma medição de precisão.
Da descoberta à medição
Em 1998 o Super-Kamiokande havia mostrado que os neutrinos oscilam. A fonte eram os neutrinos atmosféricos — gratuitos, mas não controlados: não se conhece nem seu número exato nem seu espectro com muita qualidade.
Para uma medição exata é preciso uma fonte que se tenha nas próprias mãos. Foi exatamente para isso que Melvin Schwartz inventou o feixe de neutrinos em 1960. O MINOS o utilizou para transformar um achado qualitativo em um número.
Dois detectores, um feixe
A ideia decisiva é a medição dupla.
No Fermilab o feixe NuMI gera neutrinos muônicos: prótons atingem um alvo de grafite, os píons resultantes são focalizados por cornetas magnéticas e decaem ao longo de um trecho de 675 metros. Um primeiro detector de 980 toneladas fica ali em uma caverna, a apenas um quilômetro da origem — próximo demais para que a oscilação pudesse desempenhar algum papel. Ele mede, portanto, o que foi enviado.
735 quilômetros adiante, 705 metros abaixo da superfície na mina de Soudan, está o segundo detector, com 5 400 toneladas, e mede o que chega.
A comparação das duas medições é o verdadeiro artifício. Quão intenso era o feixe, como era o seu espectro, quão bem os detectores respondem — todas essas incertezas atuam igualmente sobre as duas medições e se cancelam na razão entre elas. O que resta é a diferença, e essa diferença é a oscilação.
Ambos os detectores foram, além disso, construídos de forma idêntica, com as mesmas camadas alternadas de aço e cintilador. Isso também serve ao objetivo de que os erros sistemáticos se anulem mutuamente.
O aço magnetizado
Uma particularidade distinguia o MINOS de todos os outros detectores de neutrinos: o aço era magnetizado.
Um campo magnético curva a trajetória de partículas carregadas, e do sentido da curvatura lê-se a carga. Por isso o MINOS conseguia distinguir múons de antimúons — e com isso neutrinos de antineutrinos.
Isso permitiu um teste que antes ninguém podia realizar: os dois oscilam de modo igual? Uma diferença teria sido um indício de violação da simetria CPT, um dos princípios mais profundos da física. O MINOS não encontrou nenhuma — dentro da precisão de medição, neutrinos e antineutrinos se comportam de modo igual.
Os resultados
O MINOS determinou a diferença de quadrados de massa Δm²₃₂ com precisão de poucos por cento. Esse número está até hoje entre as grandezas mais bem medidas da física de neutrinos.
Mais importante ainda que o valor foi o padrão. Neutrinos de determinadas energias faltavam mais que outros, e isso exatamente na forma que uma oscilação prevê: um vale no espectro, cuja posição depende da energia e da distância.
Isso excluiu explicações concorrentes. Se os neutrinos tivessem simplesmente decaído ou escapado para uma dimensão adicional — ambas as hipóteses haviam sido consideradas com seriedade —, o espectro teria tido outra aparência.
Um resultado secundário sobre a velocidade
O MINOS mediu também com que rapidez seus neutrinos percorriam os 735 quilômetros, e encontrou o resultado compatível com a velocidade da luz. A mesma questão rendeu ao experimento OPERA, em 2011, manchetes mundiais por um curto período, até que ali se encontrou um erro na medição do tempo.
Sucessão
Desde 2014 o NOvA utiliza a mesma linha de feixe, porém 14 milirradianos ao lado do eixo e com um detector de 14 000 toneladas em Ash River, Minnesota. A disposição oblíqua fornece um espectro de energia mais estreito — o mesmo recurso que também o T2K emprega no Japão.
O próximo passo no mesmo terreno é o DUNE, com 1 300 em vez de 735 quilômetros de percurso e argônio líquido em vez de aço.
Termos relacionados
- Oscilação de neutrinos — o processo medido
- T2K — a contraparte japonesa
- DUNE — o sucessor no mesmo lugar
- Melvin Schwartz — o método do feixe
Fontes
- Colaboração MINOS: Measurement of Neutrino and Antineutrino Oscillations Using Beam and Atmospheric Data in MINOS, Physical Review Letters 110, 251801 (2013).
- Colaboração MINOS: Measurement of the neutrino velocity with the MINOS detectors, Physical Review D 92, 052005 (2015).