Super-Kamiokande
Super-Kamiokande é um detector de neutrinos na prefeitura de Gifu, no Japão, a 1 000 metros de profundidade sob o monte Ikeno. Com ele obteve-se em 1998 a primeira detecção sólida da oscilação de neutrinos — e com ela a prova de que os neutrinos possuem massa.
O dispositivo
O tanque é um cilindro de 39 metros de diâmetro e 42 metros de altura, cheio de 50 000 toneladas de água extraordinariamente pura. As paredes sustentam mais de onze mil fotomultiplicadores de meio metro de diâmetro cada um — os maiores que jamais foram construídos em série.
O princípio de detecção é a radiação Cherenkov. Quando um neutrino atinge um elétron ou um núcleo atômico, origina-se uma partícula carregada. Se esta se move mais depressa que a luz na água — o que é permitido, pois ali a luz é mais lenta que no vácuo —, ela arrasta atrás de si um cone de luz, semelhante à onda de proa de um navio.
Na parede do tanque esse cone desenha um anel. De sua posição segue-se a direção, de seu brilho a energia e de sua nitidez o tipo de partícula: um elétron se dispersa em seu caminho e produz um anel difuso, um múon segue em linha reta e produz um nítido. Foi justamente essa distinção que se mostrou decisiva para a descoberta de 1998.
A rocha situada acima corresponde a 2 700 metros de água e detém a maior parte dos múons cósmicos.
A descoberta de 1998
O detector entrou em operação em abril de 1996. Dois anos depois Takaaki Kajita apresentou o resultado que tornou a instalação famosa.
Os neutrinos atmosféricos chegam de todas as direções — de cima após 15 quilômetros de percurso, de baixo após 13 000 quilômetros atravessando a Terra. Super-Kamiokande encontrou, vindo de cima, o número esperado de neutrinos muônicos, mas, vindo de baixo, apenas cerca da metade. Os neutrinos eletrônicos não mostraram tal déficit.
A dependência do ângulo de incidência foi a verdadeira prova. Uma falha do detector teria atuado igualmente em cima e embaixo; uma transformação que depende do comprimento do caminho atua exatamente assim.
O acidente de 2001
Em 12 de novembro de 2001, enquanto o tanque era novamente enchido após trabalhos de manutenção, um dos tubos fotomultiplicadores implodiu nas profundezas. A onda de pressão arrastou consigo o seguinte, depois o subsequente. Em questão de segundos uma reação em cadeia destruiu cerca de 6 600 dos onze mil tubos.
Foi um dano de muitos milhões de dólares e poderia ter sido o fim do empreendimento. A colaboração redistribuiu os tubos restantes pelo tanque e retomou a operação com metade da ocupação no prazo de um ano. Até 2006 o conjunto completo havia sido substituído — e desde então cada tubo carrega um invólucro protetor de acrílico e fibra de vidro, para que um efeito dominó semelhante não possa se repetir.
O que mais o detector realiza
Neutrinos solares. Diferentemente dos procedimentos radioquímicos, o Super-Kamiokande mede em tempo real e com indicação de direção. Os neutrinos vêm comprovadamente da direção do Sol.
Experimentos com feixe. Desde 2010 a instalação é o ponto de destino do T2K — um feixe de neutrinos vindo de Tokai, a 295 quilômetros de distância. Com ele foi possível detectar em 2013, pela primeira vez, o surgimento de neutrinos eletrônicos em um feixe de neutrinos muônicos.
Decaimento do próton. A pergunta original do detector antecessor continua a ser perseguida. Nada foi encontrado; o limite inferior para o tempo de vida do próton situa-se hoje acima de 10³⁴ anos.
Prontidão para supernovas. Se em nossa galáxia explodir uma estrela, o detector captaria milhares de neutrinos. Ele faz parte de uma rede mundial de alerta precoce para astrônomos.
Gadolínio
Desde 2020 acrescenta-se gadolínio à água. Esse elemento captura nêutrons e emite ao fazê-lo um sinal luminoso característico.
O ganho é considerável: com isso é possível reconhecer o decaimento beta inverso pelo sinal duplo e distinguir com segurança um antineutrino de um neutrino. Isso abre a busca pelo fundo difuso de neutrinos de supernova — a soma de todas as explosões estelares na história do universo.
Sucessão
O Hyper-Kamiokande está sendo construído atualmente e deverá conter, com cerca de 258 000 toneladas de água, aproximadamente oito vezes mais. O próprio Super-Kamiokande permanece em operação.
Termos relacionados
- Takaaki Kajita — a descoberta de 1998
- Masatoshi Koshiba — o detector antecessor
- Radiação Cherenkov — o princípio de detecção
- T2K — o feixe vindo de Tokai
- Hyper-Kamiokande — o sucessor
Fontes
- Colaboração Super-Kamiokande (Y. Fukuda et al.): Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).
- Colaboração Super-Kamiokande: First gadolinium loading to Super-Kamiokande, Nuclear Instruments and Methods A 1027, 166248 (2022).