Descobrir as forças fundamentais do universo - A tecnologia de vácuo na exploração do universo

Descobrir as forças fundamentais do universo - A tecnologia de vácuo na exploração do universo

A 2.100 metros abaixo da superfície da Terra, os físicos do SNOLAB procuram os pequenos e elusivos blocos de construção do universo: os neutrinos.
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Os neutrinos são partículas elementares eletricamente neutras, que colidem pelo espaço praticamente à velocidade da luz. Uma vez que não têm carga elétrica, praticamente não interagem com a matéria e, por conseguinte, passam por ela com uma liberdade quase total. Este facto permite-lhes viajar grandes distâncias e chegar à Terra vindos das galáxias mais remotas. Porém, dada a sua natureza evasiva, são particularmente difíceis de pesquisar.

Deteção com sinais intermitentes de luz

Para capturar estas minúsculas partículas elementares, os investigadores instalaram-se no subsolo. O laboratório de física SNOLAB fica localizado numa mina de níquel na cidade canadiana de Sudbury (Ontario). Aqui, os cientistas têm acesso a uma área de sala limpa com 5.000 metros quadrados, enquanto uma camada de 2.100 metros de rocha protege o laboratório contra a radiação cósmica – os neutrinos são as únicas partículas que conseguem penetrar este escudo. No centro da instalação está o detetor de neutrinos, que consiste num tanque de acrílico esférico com um diâmetro de 12 metros. 

No âmbito das experiências, que são atualmente realizadas sob a designação SNO+, este tanque é enchido com 800 toneladas de um líquido especial constituído por alquilbenzeno linear hidrocarboneto (LAB). Este líquido emite raios UV quando é agitado por radiação ionizante. Por sua vez, a luz UV estimula um corante dissolvido no líquido que, em seguida, ganha uma cor azul fluorescente. Quando passam pelo líquido, todos os neutrinos que se aproximam o suficiente do seu núcleo atómico para ativar uma interação geram, desta forma, pequenos sinais intermitentes de luz. Estes sinais são detetados através de sensores de elevada sensibilidade que rodeiam o tanque.

Para garantir que as partículas subatómicas são corretamente detetadas, é necessário remover do LAB todas as substâncias indesejáveis. Este processo é realizado através da tecnologia de vácuo. Com o auxílio de bombas de vácuo, é gerada uma pressão negativa de 20 milibares no sistema de limpeza. A uma temperatura de 238 graus, são removidos do líquido até os mais ínfimos vestígios de metais pesados, num processo de destilação multifásico. Em seguida é passado vapor de água e azoto pelo líquido, numa coluna de lavagem, novamente sob vácuo. Este processo expele os gases rádon, crípton, árgon e oxigénio, e regula o teor de humidade do líquido. Os condensadores posicionados nas saídas de ar das bombas de vácuo garantem a exatidão da recuperação dos vapores. Aqui, as emissões de escape do processo de limpeza são arrefecidas, liquefeitas e introduzidas nos vasos de recolha.

Prémio Nobel pela investigação dos neutrinos

Nas novas experiências do SNO+, o LAB substitui a água pesada com a qual o tanque se encontrava cheio durante o projeto SNO original. O líder da experiência SNO, Arthur McDonald, foi premiado por estas primeiras investigações com o prémio Nobel da física em 2015. Entre 1999 e 2006, usou esta água pesada para investigar os neutrinos produzidos no Sol através da fusão nuclear. No entanto, os resultados não corresponderam às previsões do modelo padrão da física, que tinham assumido previamente que os neutrinos não tinham massa. 

Os desvios descobertos acabaram por ser explicados com a teoria alternativa da oscilação dos neutrinos: Os três diferentes tipos de neutrinos (neutrinos eletrão, muão e tau) conseguem transformar-se uns nos outros. No entanto, isto apenas é possível se tiverem massa, independentemente do quão pequenos possam ser. 

Comparada com a experiência original com água pesada, a interação dos neutrinos com o LAB emite uma quantidade significativa de luz. O principal objetivo das novas investigações foi investigar o processo contencioso da deterioração beta dupla sem neutrinos, ao passo que o líquido LAB também pode ser utilizado para examinar neutrinos solares protão-eletrão-protão (PEP). Entre os restantes objetivos, inclui-se a deteção de geo-neutrinos a partir dos processos de deterioração radioativa na Terra e também neutrinos reatores provenientes das reações de fissão nuclear. Também seria possível detetar neutrinos de supernovas se ocorresse uma supernova na nossa galáxia. Com as medições de neutrinos, os investigadores esperam obter mais conhecimentos sobre as forças fundamentais do universo.

O Snolab utiliza a tecnologia de vácuo da Busch desde 2012.


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