Física de Altas Energias e Astropartículas

Altas Energias

Com o advento dos grandes aceleradores no cenário da Física mundial, boa parte das pesquisas na área da Física das Partículas se direcionou atualmente para a área que designamos de Física das Altas Energias. Nela incluem-se também áreas correlatas, como as Astropartículas, presentes no CBPF desde os trabalhos pioneiros de Cesar Lattes, na época de sua fundação.

Recentemente tivemos a confirmação experimental da existência do bóson de Higgs, entretanto ainda restam várias questões envolvendo aspectos fundamentais da física a serem respondidas tais como: (i) por que o bóson de Higgs gera diferentes massas para diferentes partículas? (ii) qual a razão da assimetria matéria-antimatéria no Universo? (iii) quais os mecanismos responsáveis pela aceleração de raios cósmicos ultraenergéticos?

Outra questão fundamental está relacionada à Física de Neutrinos – área com notável desenvolvimento nas últimas duas décadas. A comprovação experimental de que neutrinos podem oscilar entre seus diferentes estados físicos, com a consequente implicação de que possuem massa, é um dos resultados mais importantes da Física de Partículas em anos recentes e uma forte evidência da existência de uma Física além do Modelo Padrão das Partículas Elementares. Esse resultado foi responsável pelo Prêmio Nobel de Física em 2015.

Essas questões, ligadas à compreensão da estrutura fundamental da matéria, sua natureza, produção e comportamento no Universo é foco do trabalho experimental e teórico dos cientistas do CBPF. Os grupos do CBPF são parte ativa dos trabalhos para a atualização (upgrades) em grandes colaborações internacionais e estão associados, também, à concepção e construção de novos experimentos na área. Os desafios tecnológicos impostos pela exploração destas fronteiras do conhecimento têm um impacto profundo nos processos de inovação, estando na raiz dos grandes avanços em áreas diversas como computação em nuvem e grid, equipamentos para a área da saúde, processos industriais robotizados, etc. No Brasil, estamos apenas iniciando a exploração dos benefícios gerados pela pesquisa básica nos limites do conhecimento, mas já há desdobramentos em áreas da Política Industrial, Tecnológica e de Comércio Exterior. O acesso a tecnologias avançadas coloca desafios para a indústria nacional, contribuindo para seu aprimoramento, em termos de competitividade e inserção internacional.

A adesão do Brasil ao CERN, como um País Membro Associado, abre novas oportunidades para o país. Ainda em 2015 foi assinado entre o então MCTI e o Departamento de Energia dos Estados Unidos um convênio para colaboração na Física de neutrinos e na nova geração de experimentos que estão sendo desenvolvidos nesta área. O CBPF como instituto de física do MCTIC é um candidato natural para liderar a participação brasileira nestes experimentos e fazer a interface entre a pesquisa básica e a inovação na indústria.

 

Partículas produzidas em colisão de prótons registrada pelo detector CMS. Traços (em amarelo) indicam a passagem de partículas carregadas eletricamente. Torres (em verde e azul) fornecem medidas da energia depositada por partículas nos calorímetros do detector. (Imagem: Colaboração CMS)

Desde 2014, o CBPF integra o experimento COherent Neutrino Nucleus Interaction Experiment (CONNIE), uma colaboração internacional instalada no laboratório de neutrinos na central nuclear de Angra dos Reis, que tem como objetivo a primeira observação da interação coerente neutrino-núcleo, prevista no modelo padrão das Partículas Elementares. Este experimento é pioneiro no uso de dispositivos CCDs como detectores de neutrinos, resultando em uma importante inovação tecnológica e permitindo reduzir, para algumas aplicações, o tamanho dos detectores de neutrinos.

O CBPF também está em entendimento para participação no experimento Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), com entrada em operação prevista para 2022. Esses experimentos servirão de protótipos para o desenvolvimento das novas tecnologias a serem utilizadas no DUNE, em especial os detectores de Argônio Líquido.

Outro importante projeto, liderado pelo CBPF há quase uma década, prevê o desenvolvimento e instalação de um detector de antineutrinos ao lado do Reator Angra II. Este detector deverá permitir uma medida independente da potência nuclear produzida e uma estimativa da quantidade de plutônio produzida no reator a cada ciclo de combustível. Essa medida permite também, em princípio, estimar a composição isotópica do combustível nuclear no final do ciclo de combustível, podendo vir a constituir-se em uma nova ferramenta para o uso em programas de salvaguardas nucleares, por isso, o projeto tem sido apoiado pela Eletronuclear, CNEN e Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA).

As instituições que trabalham nestas áreas estão essencialmente restritas ao eixo Rio - São Paulo. O CBPF desempenha um papel catalisador na disseminação da Física das Altas Energias pelo resto do País, em particular, em centros emergentes, provendo a infraestrutura de apoio que permite aos pesquisadores de outras regiões participar de forma eficiente no trabalho de pesquisa das grandes colaborações.

Programas na área:

1. Programa de Intercâmbio Científico: Destina-se a promover o contínuo intercâmbio de informações entre os membros do CBPF das áreas de Física Teórica e Experimental de Altas Energias e pesquisadores brasileiros e estrangeiros, visando estimular e expandir a pesquisa de alto nível.  
2. Programa para participação em experimentos internacionais: Destina-se a assegurar e ampliar a presença dos pesquisadores, tecnologistas e estudantes da instituição nos grandes experimentos, buscando contribuir na gestão científica e no desenvolvimento tecnológico dos mesmos. 
3. Produção Científica e Desenvolvimento Tecnológico: Destina-se a produzir pesquisa avançada na área de Física Experimental de Altas Energias e Astropartículas, com impacto internacional significativo e avanços tecnológicos para a sociedade brasileira. 
4. Programa de Instrumentação Científica para Altas Energias: Destina-se a identificar os desafios na área de Instrumentação Científica para a Física de Altas Energias e Astropartículas, incluindo a área de propriedades de neutrinos emitidos por reatores nucleares (sistemas de detecção), e realizar pesquisa e desenvolvimento de novas técnicas para os futuros experimentos.
   
   

Astrofísica de Partículas

 

Em 1912, o físico Victor Hess descobriu que a terra é continuamente bombardeada por partículas subatômicas de alta energia provindas do espaço exterior. Estas partículas, a maioria delas prótons, são chamadas “raios-cósmicos”. A fonte astrofísica dos raios cósmicos permanece obscura, mesmo um século após sua descoberta, a principal razão da dificuldade observacional de sua origem sendo o campo magnético da Galáxia, que deflete as partículas carregadas em sua viagem até a Terra, apagando os indícios diretos de sua origem cósmica.

O estudo dos raios-cósmicos está na origem da física no Brasil, e em particular do CBPF, cuja fundação teve como um de seus principais atores o físico brasileiro César Lattes, que também foi seu primeiro diretor, entre 1949-56. Em 1947, César Lattes foi responsável pela descoberta do píon, uma partícula subatômica, detectada a partir de medidas de raios-cósmicos em emulsões realizadas no Pic du Midi, na França. A descoberta foi agraciada com o Prêmio Nobel de Física de 1950, dado a um dos co-autores do estudo, Cecil Powell, da Universidade de Bristol, na Inglaterra.

Algumas das dificuldades no estudo dos raios-cósmicos podem ser contornadas por meio de observações astronômicas em raios-gama, as quais são usadas para traçar diretamente as fontes da radiação cósmica carregada. Isto é possível porque os raios-gama são gerados nos mesmos locais de produção dos raios-cósmicos, através da interação destas partículas com o campos magnéticos ou matéria presentes nas fontes. Diferentemente das partículas carregadas, a radiação gama eletromagnética não é defletida durante sua propagação pelos campos magnéticos, e retém portanto a informação crucial de sua origem astrofísica.

Raios-gama são o tipo de radiação eletromagnética mais energética existente. Os raios-gama, assim como as partículas carregadas dos raios-cósmicos, não penetram a atmosfera terrestre, interagindo com as moléculas do ar a altitudes superiores a 10 km. Por esta razão, tanto os raios-gama quanto os raios-cósmicos não podem ser observados diretamente, e a técnica experimental usada para estudar ambos é na verdade bastante similar, e se baseia na detecção dos chuveiros de partículas secundárias criadas como resultado desta interação — os chamados “chuveiros atmosféricos extensos”, descobertos pelo físico francês Pierre Auger em 1938.

As partículas secundárias que compõem os chuveiros atmosféricos podem ser estudadas de dois modos. Elas podem ser detectadas diretamente ao atingirem o solo, onde uma série de técnicas e tipos de detectores podem ser empregados para medir sua energia e direção de chegada, de maneira a reconstruir as propriedades do raio-gama ou raio-cósmico primário que deu origem ao chuveiro no topo da atmosfera. Um dos métodos mais promissores empregados é o uso de um grande número de tanques contendo um grande volume de água purificada e equipados com foto-sensores (foto-multiplicadoras), espalhados por uma grade área, de milhares de metros quadrados até vários quilômetros quadrados. Para o estudo de raios-gama, estes detectores devem ser colocados a grande altitudes, de pelo menos 4 km acima do nível do mar.

A técnica se baseia no fato de que as partículas secundárias do chuveiro são muito energéticas e se movem portanto com velocidade superior à da luz no meio material — seja ele a água dos tanques ou, antes disso a própria atmosfera. Apesar de surpreendente, este fato não está em contradição com nenhuma lei da Física, que estabelece a velocidade da luz no vácuo como aquele limite para propagação de qualquer corpo, isto porque a velocidade de propagação da luz no ar ou na água é um pouco menor do que no vácuo. De fato, em 1934, o físico russo Pavel Cherenkov, demonstrou que quando partículas se movem com velocidade superior à da luz em um tal meio  dielétrico transparente, elas geram uma espécie de onda de choque luminosa, caracterizada por um brilho azulado, chamado de luz Cherenkov. O que se faz com os tanques de água é portanto detectar a luz Cherenkov das partículas secundárias dos chuveiro, medindo sua energia e seu tempo de chegada no detector, e derivando assim o tipo, a energia e direção de origem no céu da partícula primária.

A luz Cherenkov das partículas do chuveiro podem ser também detectadas diretamente da atmosfera, esta sendo a segunda técnica empregada para a observação de raios-gama, chamada de "imageamento Cherenkov atmosférico”. Apesar de centenas de chuveiros atmosféricos serem gerados a cada instante, os seus flashes de luz Cherenkov azulada não são visíveis ao olho humano porque são muito breves (duram apenas um milésimo de segundo), e muito fracos se comprados com o brilho de fundo do céu noturno. Para detecta-los são usados telescópios específicos de raios-gama, equipados com grandes áreas refletoras de espelhos, de cerca de 10 a 20 m de diâmetro,  e capazes portanto de coletar grandes quantidades de luz. Além disso, estes telescópios são equipados com câmeras extremamente sensíveis, contendo sensores ópticos de integração ultra-rápida capazes de fotografar os chuveiros atmosféricos em luz Cherenkov numa janela de integração de apenas alguns nano-segundos. Em geral, uma ampla rede destes telescópios Cherenkov, funcionando de maneira coordenada, é utilizada para fotografar os chuveiros, de maneira a fornecer uma medida mais acurada de sua origem. 

A primeira técnica, baseada na observação da luz Cherenkov produzida dentro dos tanques de água é utilizada pelo observatório de raios-cósmicos Pierre Auger, nos pampas Argentinos, e será também empregada pelo novo observatório de raios-gama SWGO, nos Andes. Já a técnica de imageamento atmosférico é usada pelos telescópios de raios-gama MAGIC, nas Ilhas Canárias e será usada também pelo Cherenkov Telescope Array (CTA), que também será instalado nos Andes. Nosso grupo de pesquisa participa de todos este experimentos.

 
Programas na área: 

2. Programa de astrofísica de raios-gama: Trata-se de usar observações de raios-gama para estudar os fenômenos cósmicos mais extremos, e responder à pergunta sobre sua natureza astrofísica.
    
3. Programa de física de raios-cósmicos: Trata-se do estudo de raios-cósmicos de ultra-alta-energia detectados pelo Observatório Pierre Auger, do qual o CBPF é membro fundador, tendo como objetivo responder às perguntas sobre como e onde estas partículas são aceleradas no Universo.
   
   
4. Programa de instrumentação e simulações para astro-partículas: Tem por objetivo o desenvolvimento de tecnologia e instrumentação científica para observatórios de raios-gama, que serão empregadas nos futuros observatórios CTA e SWGO, dos quais o CBPF é membro.

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