Comunicado de Imprensa
Lisboa, 9 de Novembro de 2015

Quatro investigadores do LIP, um dos quais Prof. Convidado da FCUL, e outro doutorado neste tema na FCUL, partilham o Prémio Breakthrough para a Física Fundamental de 2016 atribuído aos cientistas que participaram na “descoberta fundamental da oscilação de neutrinos, revelando uma fronteira para além, possivelmente muito além, do modelo padrão da física de partículas”. Foi distinguido o trabalho experimental realizado ao longo de mais de 15 anos, por cinco colaborações internacionais, SuperKamiokande, SNO, K2K/T2K, KamLAND e Daya Bay que, no seu conjunto, agregam algumas centenas de investigadores.

O prémio foi apresentado numa cerimónia no Centro de Investigação Ames da NASA, na Califórnia no dia 8 de Novembro de 1015, e transmitido no canal National Geographic nos EUA. O Prémio Breakthrough para a Física Fundamental (depois estendido às Ciências da Vida e à Matemática) foi instituído pelo empresário e físico russo Yuri Milner em 2012, com um valor de 3 milhões de dólares, e sem limite no número de pessoas premiadas em cada ano. A descoberta da oscilação de neutrinos mereceu também recentemente o Prémio Nobel da Física de 2015, que distinguiu Takaaki Kajita e Arthur McDonald, diretores das experiências SuperKamiokande e SNO.

Várias áreas da ciência organizam-se hoje em dia em grandes colaborações internacionais com centenas de pessoas, para atingir objectivos que seria difícil atingir isoladamente. A atribuição deste prémio de forma colectiva sublinha, assim, a complementaridade entre as várias experiências e o trabalho colaborativo entre elas e dentro de cada uma delas.

Os neutrinos são partículas elementares sem carga eléctrica, e que por isso podem atravessar grandes quantidades de matéria e são muito difíceis de detectar. Estas experiências detectaram neutrinos de diferentes tipos, produzidos naturalmente pelos raios cósmicos na atmosfera terrestre ou pela fusão nuclear no interior do Sol, ou produzidos artificialmente em aceleradores de partículas ou em reatores nucleares, mostrando que os neutrinos mudam as suas propriedades no caminho entre a produção e detecção, ao contrário do que era esperado no Modelo Padrão da Física de Partículas. Esta descoberta levanta questões com implicações importantes na fronteira entre a física de partículas e a cosmologia, que são objecto de uma nova geração de experiências.

O LIP integra, desde 2005, uma das colaborações premiadas, SNO – Sudbury Neutrino Observatory, dedicada ao estudo de neutrinos solares e trabalha ativamente na preparação da experiência sucessora, SNO+, para a qual juntou investigadores com diferentes percursos, entre eles quatro dos investigadores agora premiados:

José Maneira fez o doutoramento na FCUL na área da Física de neutrinos e começou a trabalhar em SNO em 2002 na Universidade de Queen's, no Canadá. Em 2005 estabeleceu o grupo de física experimental de neutrinos do LIP. Desde 2011, é também Prof. Convidado da FCUL;
Nuno Barros, hoje na Universidade da Pennsylvania, EUA, apresentou em 2012 na Universidade de Lisboa (FCUL) a sua tese de doutoramento realizada no LIP sobre os resultados finais de SNO, em particular a oscilação de neutrinos, agora premiada;
Sofia Andringa trabalhou na experiência de neutrinos e acelerador, K2K, no Institut de Física de Altes Energies da Universidade Autónoma de Barcelona, e integra o grupo de física de neutrinos do LIP, e SNO+, desde 2006;
Gersende Prior trabalhou em SNO, no Lawrence Berkeley National Laboratory, EUA, e está no LIP e em SNO+ desde 2014.

Contactos:
José Maneira (responsável pelo grupo de física de neutrinos do LIP), maneira@lip.pt
Sofia Andringa, sofia@lip.pt
Gersende Prior, gersende@lip.pt

Coordenador para a Divulgação no LIP:
Pedro Abreu, abreu@lip.pt

Links úteis
Lista de premiados de K2K/T2K referindo Sofia Andringa
Lista de premiados de SNO referindo Gersende Prior, José Maneira, Nuno Barros: incluindo o discurso de Arthur MacDonald, laureado com o Prémio Nobel de 2015, referindo Portugal

Mais informação

As cinco experiências premiadas

SuperKamiokande (http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html), em Kamioka, no Japão, mediu neutrinos e anti-neutrinos de muão e de electrão produzidos pela interação de raios cósmicos na atmosfera, descobrindo que o número de neutrinos e anti-neutrinos de muão detectados dependia da distância que percorriam (variando entre as dezenas de quilómetro e dezenas de milhar de quilómetro, para os produzidos acima e abaixo do detetor), e se reduzia a metade para neutrinos vindos de baixo. Confirmou ainda que o número de neutrinos e anti-neutrinos de electrão não se alterava, podendo servir de referência.
SNO (http://sno.phy.queensu.ca/), em Sudbury, no Canadá, descobriu que apenas um terço dos neutrinos do electrão produzidos no Sol se detectava nessa forma (como indicado por experiências anteriores), enquanto que o número total de neutrinos dos três tipos, medido pela primeira vez com um processo só acessível a este detetor, era compatível com o previsto pelo modelo de funcionamento do Sol. Ou seja, o modelo do Sol estava correto e os neutrinos transformavam-se de forma diferente dos neutrinos atmosféricos.
K2K (http://neutrino.kek.jp/), produziu um feixe de neutrinos de muão num acelerador de partículas do laboratório KEK, do Japão, e comparou diretamente a medição feita com um conjunto de detetores dedicados junto do acelerador (sem oscilação) e no SuperKamiokande, a 250 km, verificando que a oscilação dependia da energia, no mesmo padrão que se havia medido com a distância dos neutrinos atmosféricos.
T2K (http://t2k-experiment.org/), utilizou depois um acelerador mais potente, no J-PARC, a 280 km de SuperKamiokande, estabelecendo com maior precisão que a maior parte dos neutrinos do muão se transforma em neutrinos do tau, indetectáveis neste caso, mas uma oscilação secundária os transforma em neutrinos do electrão. Repetiu também a experiência com um feixe de anti-neutrinos, obtendo resultados consistentes.
KamLAND (http://www.awa.tohoku.ac.jp/kamlande/), também no laboratório de Kamioka, no Japão, mediu os anti-neutrinos de electrão produzidos nos reatores de fissão nuclear para produção de energia, a centenas de quilómetros do detetor, descobrindo um padrão oscilatório em função da energia, compatível com os valores medidos com os neutrinos solares. Conformou assim que os efeitos ocorridos com os neutrinos dentro do Sol podiam ser explicados com o mesmo modelo que explica a oscilação espontânea dos anti-neutrinos no vazio.
Daya Bay (http://dayawane.ihep.ac.cn/twiki/bin/view/Public/), na China, usou um complexo de detetores de neutrinos e de reeatores nucleares, para medir um efeito muito mais pequeno, o desaparecimento de menos de 5% dos anti-neutrinos do electrão, a 1km do reator nuclear que os origina. Neste caso, a distância foi escolhida tendo em conta os resultados das diferenças de massa medidos pelas experiências anteriores, mas foi obtida uma terceira taxa de mistura, fechando assim o círculo entre os três neutrinos.

Estes vários detetores partilham características comuns: um grande volume líquido transparente onde os neutrinos interagem produzindo partículas carregadas, e um grande número de detetores de luz ultra sensíveis, que rodeiam esse volume e detectam os sinais luminosos aí criados pelas partículas carregadas; são construídos e operados em laboratórios subterrâneos, para evitar sinais de raios cósmicos, e rodeados de água pura para evitar sinais da radioatividade externa, de forma a se poderem isolar os raros sinais produzidos pela interação dos neutrinos.

Sobre os neutrinos, o bosão de Higgs e o modelo padrão da física de partículas

A descoberta de que os neutrinos oscilam entre os diferentes tipos previamente separados devido a uma estrutura não trivial de massas foi a primeira falha no modelo padrão da física de partículas. Este é o modelo científico com maior grau de precisão, e foi recentemente completado com a peça final para explicar a massa da maior parte das partículas elementares, com a descoberta do Bosão de Higgs, em que o LIP participou ativamente. A descoberta do Bosão de Higgs foi distinguida com o Prémio Nobel da Física em 2013, dado aos físicos teóricos que o introduziram no modelo padrão, e também com o Prémio Breakthrough, dado aos porta-vozes das colaborações das experiências ATLAS e CMS do LHC.

Os neutrinos apontam caminhos para a extensão futura deste modelo, que ainda não explica, por exemplo, a existência da matéria escura que medimos no Universo. Nos próximos anos entram em funcionamento novas experiências de física de neutrinos. Estas concentram-se na procura de diferenças entre neutrinos e anti-neutrinos, na ordenação (hierarquia) dos valores das três massas de neutrinos, na determinação do valor absoluto da massa dos neutrinos, e na forma como essa massa deve ser introduzida no modelo – se através do mecanismo de Higgs, ou outros possíveis apenas para partículas elementares neutras.

SNO+, começará a tomar dados brevemente, e centra-se neste último aspecto. Se os neutrinos forem partículas de Majorana, torna-se possível um novo decaimento radioativo para alguns elementos instáveis, o duplo declínio beta sem neutrinos (apenas o declínio equivalente com dois neutrinos é possível no modelo padrão atual). A confirmar-se, a descoberta deste processo assinalaria o carácter de Majorana dos neutrinos massivos, e permitiria estimar o valor da sua massa. Para o testar, o detetor utilizará cintilador líquido dopado com Telúrio. A dopagem inicial será de 0.3%, mas os estudos de I&D dedicados a aumentar a dopagem são promissores, com 3% de Telúrio poderia testar-se toda a região de “hierarquia invertida” da massa dos neutrinos de Majorana.

Sobre o papel do LIP em SNO e SNO+

Figura: Foto do detetor SNO. No centro da imagem está a estrutura de suporte dos 9500 sensores de luz, com cerca de 18 m de diâmetro, circundada pelas paredes da cavidade escavada na rocha a 2000 m de profundidade. No interior da estrura está um balão de acrílico transparente de 12 m de diâmetro (não visível).

Detetor

O detetor SNO/SNO+ fica no laboratório subterrâneo SNOLAB, a 2000 m de profundidade, numa mina ativa de extração de níquel, no Canadá. O detetor consiste num volume interior líquido contido por uma esfera de acrílico transparente de 12 m de diâmetro e 5 cm de espessura, e é rodeado por um conjunto de cerca de 9500 sensores de luz numa estrutura de 18 m de diâmetro.

Em SNO, a esfera continha 1000 toneladas de água pesada (uma molécula equivalente à da água, mas em que o hidrogénio é substituído por deutério, com mais neutrões), permitindo dois processos de interação dos neutrinos inacessível a outros detetores – um sensível apenas aos neutrinos de electrão e outro igualmente sensível a todos os tipos de neutrino. As partículas carregadas com velocidade superior à da luz na água eram identificadas pela emissão de radiação de Cherenkov.

Para a nova experiência, SNO+, a mesma esfera conterá 780 toneladas de um líquido cintilador orgânico, que emite muito mais luz, permitindo detetar partículas carregadas de muito menor energia. O detetor teve de ser adaptado para poder conter líquidos de diferente densidade, e para poder lidar com uma muito maior taxa de sinais. O detetor está neste momento a ser cheio de água, que será depois substituída pelo líquido cintilador.

Calibração do detetor

A calibração óptica é um passo fundamental para utilizar este tipo de detetor. Consiste em produzir sinais luminosos bem conhecidos para testar como são observados nos sensores de luz, permitindo descrever em detalhe a propagação da luz através dos vários meios que tem de atravessar, e garantindo que sabemos relacionar de forma precisa os sinais detetados com a quantidade de luz emitida num qualquer ponto do volume interno. Devido à experiência adquirida em SNO, uma das responsabilidades do LIP é a calibração ótica de SNO+, assumindo a coordenação do grupo de trabalho correspondente.

Figura: Foto da reunião da colaboração SNO em Agosto de 2008, no SNOLAB.

Figura: Foto da reunião da colaboração SNO+ de Junho de 2010, organizada pelo LIP em Lisboa.

Em colaboração com a Universidade de Sussex (UK), desenvolvemos um método de calibração não invasivo, baseado em cabos de fibra ótica ligados a um conjunto de LEDs. Para o desenvolvimento e testes das fibras foram utilizadas as instalações do grupo ATLAS na Universidade de Lisboa. Todas as partes mecânicas relacionadas com as fibras foram construídas nas oficinas do LIP em Coimbra. A instalação do sistema é coordenada pelo nosso grupo e já foi completada a 2/3. Tomámos também a responsabilidade pelo desenho e construção do sistema de inserção de fontes de calibração em SNO+. É um sistema complexo que requer estanquicidade (para evitar a contaminação do cintilador com radão) e uma mecânica robusta e precisa.

Figura: Luís Gurriana (LIP) durante a instalação no detetor SNO+ do sistema de calibração dos sensores de luz com fibras óticas, em 2012.

Análise de dados

O LIP participou na análise das oscilações de neutrinos, juntando as três fases de tomada de dados em SNO, com diferentes métodos de deteção de neutrões (usando apenas água pesada entre 1999 e 2001, água pesada dopada com sal de 2001 a 2003 e com sub-detetores de neutrões de 2004 a 2006). Os resultados publicados na tese de doutoramento de Nuno Barros* e em artigos da colaboração SNO em 2012 e 2013, contribuíram para aumentar a precisão dos resultados iniciais dos chamados parâmetros de oscilação dos neutrinos solares. A sua combinação com os resultados de KamLAND e de outras experiências, permitiram ainda dar primeiras indicações sobre outros parâmetros de oscilação, que vieram a ser medidos mais tarde por T2K e Daya Bay.

Figura: Exemplo de um evento de neutrinos solares em SNO. Os pontos coloridos representam sensores de luz que deram sinal nesse evento.

Figura: Resultados da primeira fase de SNO. O eixo dos xx mostra o fluxo de neutrinos solares do eletrão e o dos yy o fluxo nas outras famílias – neutrinos do muão e do tau. As bandas a cores mostram as regiões identificadas por cada uma das três medições de SNO – correntes carregadas (CC), correntes neutras (NC) e dispersão elástica (ES), e a concordância entre elas. O Sol emite apenas neutrinos de eletrão, logo o resultado, que mostra um fluxo ??? diferente de zero demonstra a mudança de família. A banda a tracejado mostra a previsão do modelo solar, em concordância com a medição NC.

Figura: Estas imagens mostram os resultados da análise combinada de todas as experiências de neutrinos solares, incluindo os dados das três fase de SNO, bem como da experiência de neutrinos de reactor KamKLAND. Os resultados das experiências são interpretados à luz do modelo da oscilação dos neutrinos e permitem identificar os parâmetros físicos do modelo – diferença de massa entre os neutrinos (?m221), que dão a “frequência” das oscilações e ângulos de mistura (?12, ?13), que dão a “amplitude”. Esta análise foi realizada no LIP, como parte da tese de doutoramento de Nuno Barros.

* “Precision measurement of neutrino oscillation parameters: combined three-phase results of the Sudbury Neutrino Observatory”, realizada no LIP sob a orientação de José Maneira e co-orientação de Amélia Maio. SNO+ tem múltiplos objetivos científicos, sendo o principal a pesquisa com elevada sensibilidade do sinal de duplo declínio beta sem neutrinos. A confirmar-se, a descoberta deste processo assinalaria o carácter de Majorana dos neutrinos massivos, e permitiria estimar o valor da sua massa. A nossa contribuição principal para essa análise é nos algoritmos de rejeição de processos de fundo da radioatividade interna e externa. SNO+ medirá também neutrinos solares, da Terra, de Supernovas e de reatores nucleares. Focamo-nos também nas oscilações de neutrinos de reator e no estudo dos geo-neutrinos.

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