Por que os russos construíram um detector gigante no fundo do Lago Baikal?

Bair Shaibonov/Joint Institute for Nuclear Research
Todo inverno, físicos colocam esferas de vidro no Lago Baikal para construir um telescópio de neutrinos e descobrir o que acontecia no universo há milhões e até bilhões de anos atrás.

É março. No gelo do Lago Baikal, rasteja um trator com uma enorme lâmina circular da altura de um homem. A lâmina corta o gelo de um metro de espessura até a água. Perto dali, uma dezena de pessoas com roupas laranjas esticam um cabo longo com esferas de vidro contendo sensores . Tudo descerá a uma profundidade entre 750 e 1.300 metros.

Esta "guirlanda" está em construção desde 2015. A cada inverno e início da primavera, cientistas e engenheiros vão até ali para instalar clusters do maior telescópio de neutrinos do mundo: o Baikal-GVD. Em meados de março de 2021, ele foi oficialmente colocado em operação e pesquisadores lançaram experimentos que podem mudar toda a nossa compreensão sobre o universo.

Para que isso?

Instalação do Baikal-GVD.

Vamos começar do começo: neutrinos são “partículas-fantasmas" ultraleves que permeiam o universo e tudo nele. Enquanto você está lendo esta linha, quatrilhões (1 seguido de 15 zeros) de neutrinos, originários do centro do Sol oito minutos antes já terão passado por você. Mas você nem mesmo sentiu isso — e esta é outra característica importante dos neutrinos.

Os neutrinos interagem muito pouco com a matéria. Por exemplo, menos de um em cada 10 neutrinos solares atingirá no mínimo um átomo do corpo humano. As partículas elementares são semitransparentes umas para as outras - elas podem passar diretamente umas pelas outras e não sofrer colisão (não interagir). Os cientistas levaram 26 anos para detectar uma colisão pela primeira vez e confirmar que os neutrinos não existem só em teoria. Isso aconteceu em 1956. É verdade que não fizemos muito progresso em nosso conhecimento sobre neutrinos desde então.

Lançamento do Baikal GVD.

Só sabemos que os neutrinos são incrivelmente leves (até mesmo o neutrino mais pesado tem milhões de vezes menos o peso de um elétron) e que a natureza de sua origem é diferente. Os neutrinos "nascem" continuamente no Sol, dentro da Terra, na atmosfera, em reatores nucleares e dentro de galáxias emergentes ou moribundas, estrelas e outras fontes astrofísicas.

O telescópio Baikal tem o objetivo de registrar e estudar fluxos de neutrinos de energia ultra alta — ou seja, aqueles que chegaram do cosmos profundo — e permite que todas as outras variedades sejam filtradas. Esses raros "mensageiros espaciais" podem nos dizer o que aconteceu com nosso universo, como ele evoluiu e como as galáxias, a matéria escura e os buracos negros se formaram. Particularmente, foram os neutrinos os primeiros a revelar aos cientistas sobre a explosão estelar de uma supernova de 1987 na Grande Nuvem de Magalhães — antes mesmo que os astrônomos vissem as luzes óticas.

Nenhuma outra partícula é capaz de fazer isso. Em seu caminho para a Terra, todas as partículas eletricamente carregadas (prótons e elétrons) são significativamente desviadas de seu caminho por campos magnéticos, o que torna impossível determinar qual sua fonte, enquanto as partículas de luz (fótons) podem acabar não escapando do denso e regiões aquecidas do Universo, ou escapar em um estado substancialmente alterado.

Os neutrinos descarregados não reagem a campos magnéticos e carregam informações "da cena", e não são engolidos pela poeira interestelar. Assim, o estudo dos neutrinos abre uma nova linha de investigação para o estudo do universo, e de alta precisão. Eles já estão sendo descritos como uma porta de entrada para uma "nova física". Além disso, nenhum outro método de observação — da Terra ou do espaço — pode olhar "tão fundo" o universo.

Por que no Lago Baikal?

Desde o século passado, os cientistas já tinham entendido que um neutrino podia ser "capturado", assim como aprendido a determinar sua direção de viagem com a ajuda de fotodetectores sensíveis — pelo nível de intensidade de seu brilho azulado (um Prêmio Nobel foi concedido por essa descoberta em 1958). Os detectores sensíveis à luz podem rastrear essas fracas explosões que ocorrem quando um neutrino interage com a matéria.

Mas, para o registro são necessárias centenas de fotodetectores, assim como um grande volume de uma substância extremamente transparente com a qual o neutrino possa interagir. Então, como construir o detector? E onde poderia ser instalado um volume tão colossal? A ideia revolucionária foi apresentada em 1980 pelo acadêmico soviético Moisei Markov: ele propôs que uma infinidade de fotodetectores ficasse imersa em reservatórios naturais de água — então, seria uma questão de esperar que o próprio neutrino atacasse.

A maior e mais famosa instalação desse tipo é o telescópio de neutrinos IceCube. Ele é literalmente um "cubo de gelo", com um quilômetro cúbico de volume, com fotodetectores embutidos no gelo da Antártica.

No Baikal, o primeiro telescópio de neutrinos foi construído em 1993 e foi chamado de NT-36. Então, pela primeira vez foi possível registrar um neutrino chegando à instalação por baixo — depois de passar pela Terra. Mas o telescópio ficou obsoleto e desatualizado, e não era mais viável em termos de tamanho: era simplesmente muito pequeno para permitir novos progressos.

Ele foi então substituído pelo moderno conjunto Baikal-GVD, construído por um grupo internacional de físicos liderado pelo Instituto de Pesquisa Nuclear da Academia Russa de Moscou e pelo Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear de Dubna. O Baikal-GVD é composto por 288 módulos óticos em oito guirlandas verticais. Assim, o telescópio de neutrinos se tornou efetivamente a estrutura mais alta da Rússia. Só que está na água e a 3,5 quilômetros da beira do lago.

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