Um dos eventos mais significativos do Ano da Ciência deve ser o lançamento de um telescópio gigante de neutrinos no Lago Baikal. Aconteceu no dia 12 de março. Dmitry Naumov, vice-diretor do Laboratório de Problemas Nucleares do Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear, Doutor em Ciências Físicas e Matemáticas, falou com RG sobre a importância desta instalação para a ciência russa e mundial.
- Dmitry Vadimovich, para que o contribuinte entenda e concorde em gastar quase 10 bilhões de dólares na criação do famoso Grande Colisor de Hádrons, os cientistas embalaram o bóson de Higgs em um belo invólucro - a imagem de uma "partícula divina". Ela fechou o famoso Modelo Padrão, que é reconhecido como a realização mais notável da física teórica do século 20, e explicou de onde vem a massa. E como nos convencer de que precisamos deixar milhões irem à caça de algum neutrino incompreensível. Essa partícula quase não tem massa. Em suma, por que os neutrinos são capturados nas profundezas do Lago Baikal?
Dmitry Naumov: Eu daria esta analogia. Os arqueólogos estão conduzindo escavações para entender a evolução da humanidade, para entender nossa história distante. Assim, o neutrino permitirá um vislumbre da história do Universo. Descubra o que aconteceu com ele milhões e até bilhões de anos atrás. Como as galáxias nasceram e se desenvolveram. São os neutrinos que podem se tornar uma ferramenta para reconstruir esses eventos de longa data.
- Não é possível para telescópios terrestres gigantes e observatórios localizados no espaço?
Dmitry Naumov: Em primeiro lugar, esses telescópios não podem ver tudo. O fato é que a luz pode não sair das regiões densas e quentes do Universo ou o sinal pode mudar irreconhecível. Em segundo lugar, para que os telescópios ópticos tenham um lugar para olhar, eles precisam especificar o endereço exato. Afinal, o céu é enorme, os telescópios não podem se dar ao luxo de vasculhar o céu infinito em busca de objetos interessantes. Eles precisam dos endereços mais precisos possíveis para se concentrarem o máximo possível e para fazerem observações dia a dia, mês a mês. Este é um processo longo e trabalhoso. Portanto, os neutrinos são os observadores de endereços espaciais. Na verdade, diante de nossos olhos, uma nova ciência está nascendo - a astronomia de neutrinos. Até recentemente parecia fantasia, mas agora já é uma realidade.
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Dmitry Naumov: O jogo é baseado na principal característica do neutrino - ele interage muito fracamente com a matéria, que é quase transparente para esta partícula. Como pegá-la se ela evita o contato? Digamos que, do Sol, essas partículas cheguem à Terra e trilhões de neutrinos por segundo passem por cada centímetro quadrado. Mas não os notamos de forma alguma. Somos como um espaço vazio para eles. Por exemplo, para capturar metade dos neutrinos emitidos pelo Sol, seria necessário preencher toda a região do espaço sideral com chumbo de nós até a estrela mais próxima, Alfa Centauri.
- Neutrino permitirá que você olhe para a história do Universo, descubra o que aconteceu nele milhões e até bilhões de anos atrás, como as galáxias nasceram e se desenvolveram
Dmitry Naumov: Essa fraqueza de interação intrigou os físicos - como vê-la, como trabalhar com ela? O físico alemão, ganhador do Prêmio Nobel Wolfgang Pauli, que inventou o neutrino de forma puramente teórica, geralmente acreditava que nunca seríamos capazes de ver essa partícula. Mas não subestime a engenhosidade dos experimentadores! Eles aprenderam a pegar essa partícula incrível e reconstruir a história do Universo. Além disso, a fraqueza da interação do neutrino revelou-se muito útil!
- Como você conseguiu transformar essa desvantagem em dignidade?
Dmitry Naumov: Aqui precisamos voltar bilhões de anos, quando as primeiras galáxias estavam surgindo em nosso Universo. Então, cada estrela lutou desesperadamente por sua existência. Os mais sortudos devoraram seus pequenos vizinhos e ficaram maiores. Isso aconteceu até que a estrela insaciável se transformou em um buraco negro, que quase não brilha mais. Mas já invisível, ele continua a devorar seus vizinhos, aumentando sua massa para milhões e até bilhões de massas solares. Além disso, o material que cai no orifício aquece e brilha com muita força. Esta maravilha do mundo é chamada de "núcleo galáctico ativo".
O que é importante enfatizar? Nem ondas eletromagnéticas, nem prótons, nem elétrons, ou qualquer outra coisa pode sair desse inferno sem perder a energia inicial e a direção do movimento. Apenas neutrinos. Este é o fenômeno deles. É por isso que a fraqueza de sua interação é uma grande vantagem. O mais importante é que os neutrinos voam para a Terra inalterados, o que significa que carregam informações valiosas sobre os eventos no Universo que ocorreram há bilhões de anos, bem como seus endereços.
- Há quase dez anos na Antártica, o telescópio americano IceCube vem capturando neutrinos. Ao longo dos anos, a captura, francamente, não é rica, cerca de 100 partículas. O que pode ser reconstruído com eles?
Dmitry Naumov: O experimento do Pólo Sul conseguiu fazer uma descoberta notável. Os cientistas descobriram que existem neutrinos com energias enormes, excedendo as energias dos neutrinos solares em centenas de milhões e até bilhões de vezes. Isso significa que em algum lugar do Universo existem aceleradores naturais capazes de acelerar partículas a tais energias que nós na Terra com nossos aceleradores somos completamente incapazes. Esta é uma descoberta importante?
- Acho que sim.
Dmitry Naumov: Então, mesmo um neutrino é suficiente para ele, e 100 é apenas um presente da natureza. Mas onde estão localizados esses aceleradores naturais? Que mecanismos físicos os governam? Embora existam diferentes hipóteses. E esperamos que os neutrinos que capturamos sejam capazes de apontar precisamente a direção na qual os telescópios comuns devem olhar.
O experimento do Pólo Sul usa gelo como meio com o qual os neutrinos interagem. Mas o gelo resgata fortemente a luz, por isso ainda é difícil especificar com alta precisão o endereço onde o neutrino nasceu. É aqui que o telescópio de neutrinos Baikal entra em ação. Ele tem a precisão de determinar o endereço várias vezes melhor do que em um telescópio de gelo. E há esperança de encontrar fontes de neutrinos!
- Como ficou nosso telescópio ao lado do IceCube americano?
Dmitry Naumov: Parece decente. Começamos a construir o telescópio em 2015 e o IceCube começou a trabalhar em 2010. Portanto, somos ainda menores, mas um pouco. O telescópio de neutrinos do Baikal já é o maior do Hemisfério Norte, com um volume efetivo de 0,35 quilômetros cúbicos. Este ano vamos alcançar o "sulista" por este indicador, trazendo o volume para 0,4 quilômetro cúbico. No futuro, esse número será de cerca de um quilômetro cúbico. Ao mesmo tempo, como eu disse, a precisão para determinar a direção do telescópio Baikal é muitas vezes melhor.
Eu quero enfatizar um ponto fundamental. Embora a competição sempre exista, é assim que o mundo moderno funciona, os cientistas entendem que é muito mais eficaz trabalhar em conjunto. Portanto, nosso telescópio Baikal e o americano, assim como o telescópio em construção no Mar Mediterrâneo KM3NeT, estão todos fazendo uma causa comum. Estamos unidos em uma única Rede Global de Neutrinos.
- O telescópio americano custa US $ 270 milhões, e o nosso é várias vezes menor. Porque?
Dmitry Naumov: Tivemos sorte. No Baikal, dois meses por ano, a superfície do lago é coberta por uma camada de gelo de um metro. Isso nos permite instalar o telescópio de maneira barata e simples e até mesmo consertar peças quebradas. No Pólo Sul, os colegas precisam aquecer buracos no gelo com um diâmetro de cerca de um metro e uma profundidade de quase três quilômetros para mergulhar seus detectores lá. É muito caro. Além disso, a entrega de detectores para Baikal com uma infraestrutura ferroviária desenvolvida é muito mais fácil e barata do que as operações especiais de entrega de equipamentos para o Pólo Sul.
- Quem participou da criação do nosso telescópio?
Dmitry Naumov: Cientistas do Instituto de Pesquisa Nuclear de Moscou da Academia Russa de Ciências foram pioneiros em nosso país e no mundo. Eles vêm criando essa linha de pesquisa desde a década de 1980. E agora, junto com o Joint Institute for Nuclear Research de Dubna, eles desempenham um papel de liderança no projeto. Além disso, cientistas e engenheiros da Universidade Estadual de Irkutsk, Universidade Técnica Estadual de Nizhny Novgorod, Universidade Técnica Marinha Estadual de São Petersburgo, Instituto de Física Experimental e Aplicada da Universidade Técnica Tcheca (Praga, República Tcheca), Faculdade de Matemática, Física e Informática da Universidade com o nome de Ya.A. Komensky (Bratislava, Eslováquia), Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (Cracóvia, Polônia), EvoLogics GmbH (Berlim, Alemanha).
Como um telescópio captura neutrinos
Para capturar um neutrino, você precisa de um grande volume da substância mais transparente com a qual ele interage. Além disso, o telescópio deve ser protegido de vários processos de fundo. Para isso, a instalação fica submersa a uma profundidade de 750 m a 1,4 km. Uma série de 36 módulos ópticos (fotomultiplicador e eletrônico) está ancorada no fundo do lago. Quando as partículas passam pela coluna d'água, parte do neutrino "tropeça" no núcleo da molécula de água. Como resultado dessa interação, novas partículas nascem, que brilharão com radiação Cherenkov azulada. É registrado pelos módulos ópticos do telescópio. Já o volume efetivo de água da instalação, que está envolvida na busca de neutrinos, é de 0,35 km cúbicos, e no futuro crescerá para um km cúbico. O número total de módulos ópticos ultrapassará 2300 peças.
No mundo científico, assolam paixões sérias em torno dos neutrinos. O fato é que os físicos por mais de dez anos não conseguiram entender por que a lei da conservação da energia não é cumprida em um dos fenômenos físicos mais fundamentais. A questão era tão aguda que em 1931 o famoso físico dinamarquês Niels Bohr teve uma ideia revolucionária de não conservação de energia. No entanto, havia outra explicação - a energia "perdida" é carregada por alguma partícula desconhecida e imperceptível. A hipótese de sua existência foi proposta em 1930 pelo teórico alemão Wolfgang Pauli. Mas nunca será descoberto, pois não interage com nada. Sobre isso, o cientista fez uma aposta em uma caixa de champanhe com o amigo. E em 15 de junho de 1956, ele recebeu um telegrama dos físicos americanos Reines e Cowen informando que haviam descoberto uma nova partícula - o neutrino.
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