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As instituições latino-americanas são fundamentais para a criação de detectores de fótons para o experimento de neutrinos subterrâneos profundos.
Tudo começou com uma unidade.
Os físicos Ana Machado e Ettore Segreto andaram de carro por uma estrada italiana, saindo do Laboratório Nacional Gran Sasso em uma viagem de 40 minutos para buscar o filho no jardim de infância. Como costumava acontecer, a física estava em suas mentes - em particular, o tópico da luz.
A luz é uma ferramenta essencial na bolsa de truques do físico, capaz de dar vislumbres de galáxias distantes ou faixas de partículas subatômicas. Para físicos como Machado e Segreto, é um componente crucial na reconstrução das interações de partículas ilusórias chamadas neutrinos. Os neutrinos raramente interagem, fazendo com que todo quantum de luz - chamado fóton - seja liberado quando produzem um dado precioso. Como os cientistas se perguntavam, os detectores poderiam capturar com mais eficiência essas gemas de luz?
Eles imaginaram uma caixa delgada que continha um fotomultiplicador de silício: um pequeno detector que poderia contar fótons únicos. A caixa conteria um topo transparente pelo qual a luz poderia passar facilmente ao entrar, emparelhado com um filme que poderia mudar a luz para um comprimento de onda visível diferente. A luz transformada, incapaz de escapar pela mesma abertura, refletiria dentro da caixa até ser absorvida e detectada pelo fotomultiplicador de silício.
Mais tarde, Machado comparou o desenho a uma armadilha de pássaros e o batizou com um nome da palavra indígena guarani para “uma armadilha para pegar pássaros”. Nasceu a ARAPUCA.
Com apenas alguns meses antes de deixar a Itália para novos empregos na Universidade de Campinas, no país natal de Machado, eles se apressaram para testar sua ideia. Depois de algumas compras pela internet para descobrir quais filtros e componentes eles poderiam comprar comercialmente (com seu próprio dinheiro), eles contataram um mecânico da Gran Sasso para ajudá-los a construir uma caixa e instalar um sensor de silício. O protótipo simples era um mero recipiente de 3,3 centímetros quadrados feito de Teflon - mas provou o conceito.
Eles não tinham ideia de que sua tecnologia logo uniria cientistas de toda a América Latina.
De volta ao Brasil
Aliviado com sucesso, o casal começou seus novos empregos no Brasil com foco na tecnologia ARAPUCA e como ela poderia ser usada no experimento internacional de neutrinos subterrâneos profundos (DUNE), um enorme empreendimento apoiado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA e sediado pelo Fermi National Accelerator Laboratory, perto de Chicago.
O projeto maciço estava começando a tomar forma, com planos para construir alguns dos maiores detectores de neutrinos do mundo e instalá-los a 1,5 quilômetros de profundidade em um antigo laboratório de minas transformado em subsolo. Protegidos contra sinais estranhos, os detectores seriam bombardeados com o feixe de neutrinos de alta energia mais intenso do mundo.
O objetivo do DUNE é desvendar alguns dos mistérios dos neutrinos, incluindo a resposta para a maior questão de todas: se eles fazem parte da questão da razão, como sabemos que ela existe. Para atingir seus objetivos, os cientistas precisariam coletar imensas quantidades de dados das interações de neutrinos - incluindo a luz.
Em uma conferência de 2015 em Albany, Nova York, Machado e Segreto apresentaram o design da ARAPUCA publicamente pela primeira vez. A recepção foi positiva e outros ajustes e testes com o Fermilab e novos colaboradores da Colorado State University mostraram uma tecnologia que estava amadurecendo rapidamente. Os resultados foram tão bons, diz Machado, que eles propuseram a instalação de 32 módulos ARAPUCA no primeiro detector ProtoDUNE - um protótipo do tamanho de uma casa para testar a tecnologia dos detectores finais ainda maiores do DUNE.
Mesmo com a data de início da construção, a colaboração aceitou a proposta. O verão de 2017 encontrou Machado e Segreto de volta à Europa, desta vez no CERN para instalar muitos dos detectores da ARAPUCA ao longo de seis meses. Quando o detector ProtoDUNE ligou em 2018, o sucesso da ARAPUCA foi claro: a tecnologia funcionou, a luz estava lá e as faixas eram lindas.
"É divertido pensar que tudo começou a partir desse momento durante esse longo percurso", diz Segreto.
"Nunca tivemos a ideia de que a ARAPUCA se tornasse o que é agora", acrescenta Machado. “Nunca pensamos que essa ideia se tornaria realidade. Tudo o que aconteceu para nós foi uma surpresa”.
Espalhando por todo o continente
De volta ao Brasil, Machado e Segreto se viram no centro de um grupo que cresce rapidamente.
A ARAPUCA havia se tornado uma peça importante de tecnologia para experimentos com neutrinos, mas ainda era apenas uma das mil partes necessárias para construir o DUNE. A ARAPUCA precisaria se conectar à eletrônica fria: o hardware que fica dentro do argônio líquido que compõe a maior parte do detector de neutrinos, pairando em torno de um gelado negativo de 184 graus Celsius (negativo a 300 graus Fahrenheit). Esses eletrônicos frios precisariam interagir com os eletrônicos quentes do DUNE, que ficam do lado de fora do detector à temperatura ambiente. Juntamente com simulações e testes, havia muito trabalho a ser feito - e um número crescente de pessoas para ajudar.
Gavinhas científicas serpentearam da Universidade de Campinas para outras universidades no Brasil e para outros países da América Latina, unindo um consórcio latino-americano focado na detecção de luz. Machado fez muitas das conexões pessoalmente. Ela procurou colegas físicos, alguns dos quais conhecia em seu programa de doutorado, e os encorajou a se unir a suas equipes.
Foi assim que Jorge Molina, cientista da escola de engenharia da Universidade Nacional de Assunção, no Paraguai, se envolveu. A escola não possui um programa de pós-graduação em física, mas os engenheiros se destacam em instrumentação, então eles se juntaram para trabalhar na eletrônica em 2017.
"Esta é uma grande oportunidade", diz Molina. “Nunca nos foi delegado um grande projeto como este. É uma chance de demonstrar que podemos fazê-lo e fazê-lo bem. Esta será a porta para o próximo grande projeto que virá. ”
Às vezes, a falta de infraestrutura científica no país - que tem uma população de 7 milhões, aproximadamente a mesma de Massachusetts - significa que o grupo de Molina precisa levar sua ciência para a estrada. O Paraguai enviou um pesquisador ao Fermilab para testar eletrônicos em temperaturas criogênicas na mesa de testes da ICEBERG no início deste ano.
Para muitos parceiros, participar da ARAPUCA é uma chance de expandir suas habilidades. A equipe colombiana se juntou para trabalhar na eletrônica quente, desenvolvendo sua década de experiência com simulações em execução para o experimento ATLAS no Large Hadron Collider no CERN e digitalizando sinais para pequenos experimentos com neutrinos.
"A diferença entre ATLAS e DUNE, e algo que eu gosto muito, é que, quando começamos no ATLAS, o detector já havia sido projetado", diz Deywis Moreno Lopez, cientista da Universidade de Antonio Nariño, na Colômbia. “Com a DUNE, temos a oportunidade de participar diretamente do projeto e construção dos componentes. É uma ótima oportunidade para envolver as universidades e fazer um contato mais próximo com a indústria ".
Os parceiros industriais serão vitais para produzir centenas e centenas de peças necessárias para instrumentar os grandes detectores de DUNE. Cada um dos quatro módulos detectores remotos conterá 17.000 toneladas de argônio líquido dentro de um contêiner com quatro andares de altura. Os operadores de aceleradores do Fermilab enviarão trilhões de neutrinos do complexo de aceleradores em Illinois diretamente através da terra, sem necessidade de túnel, para os detectores em Dakota do Sul. A fração de neutrinos que interagem produzirá partículas adicionais, incluindo elétrons e luz, que serão capturadas pela eletrônica, processadas por algoritmos de computação e armazenadas para análise de dados. O invisível se tornará visível.
"Isso é quase ficção científica", diz Cesar Castromonte, físico da Universidade Nacional de Engenharia do Peru e parte do grupo do Peru que começou a trabalhar na ARAPUCA no início deste ano. "As pessoas ficam totalmente surpresas na maioria das vezes quando falo sobre neutrinos - e surpresas que haja pessoas peruanas trabalhando nesse tipo de coisa."
Esse “material” para o DUNE inclui a busca de uma explicação sobre por que a matéria existe em nosso universo, tentando determinar se os prótons decaem e trabalhando para entender melhor as estrelas explosivas e a formação de buracos negros. Eles são objetivos gigantes da ciência, usando o maior detector desse tipo, e os colaboradores sabem que precisam trazer as melhores soluções tecnológicas em seus arsenais. Não muito tempo depois que os testes iniciais da ARAPUCA foram bem-sucedidos, a equipe começou a trabalhar na atualização do design para tornar o equipamento ainda melhor.
O novo X-ARAPUCA rolou em guias de luz adicionais dentro da caixa que canalizavam os fótons em direção ao sensor. Os testes mostraram ainda mais luz capturada do que antes, e os cientistas decidiram incorporar 200 dos módulos recém-projetados nos planos para o Detector Próximo de Linha de Base Curta (SBND) no Fermilab - outro experimento de neutrinos e outro bom teste para as tecnologias DUNE. Machado diz que espera que as placas eletrônicas, filtros e estruturas mecânicas sejam embarcadas para o Fermilab, montadas e instaladas no SBND por volta de dezembro.
Com os detectores de teste DUNE em execução, a preparação da caverna para os maciços detectores remotos do Sanford Lab em andamento e uma recente inovação para as novas atualizações de aceleradores do Fermilab, equipes de todo o mundo estão empurrando seus pedaços de DUNE para frente rapidamente e com o objetivo de iniciar o experimento por volta de 2026.
"Estamos muito animados", diz Castromonte. “É uma chance única na vida".
https://www.symmetrymagazine.org/article/arapuca-let-there-be-light-traps
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Hélio R.M. Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for Science and the Public
(SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and
Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa do
projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA.
A partir de 2019, tornou-se
membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
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