Pesquisa da Universidade de Chiba no IceCube contribui para Nobel de Física de 2026 concedido a Francis Halzen

Única equipe japonesa do IceCube participa de conquista global

Francis Halzen, 82, da Universidade de Wisconsin–Madison, recebeu o Prêmio Nobel de Física de 2026 pelo Observatório de Neutrinos IceCube e pela descoberta de partículas de alta energia vindas de fontes cósmicas distantes. O anúncio, feito em 6 de outubro, também reconhece um esforço científico do qual a Universidade de Chiba, única instituição japonesa da colaboração, participa desde 2002.

A Real Academia Sueca de Ciências afirma em seu anúncio do Prêmio Nobel que Halzen foi laureado "por contribuições decisivas para o Observatório de Neutrinos IceCube e a descoberta de neutrinos de alta energia de origem astrofísica". O prêmio tem valor de 12 milhões de coroas suecas.

A contribuição de Chiba vai da identificação dos primeiros sinais de neutrinos cósmicos à construção de instrumentos hoje enterrados sob o Polo Sul. Seus pesquisadores ajudaram a associar um neutrino a uma galáxia distante, participaram da primeira detecção de uma rara interação de antineutrino e fabricaram cerca de 40% dos mais de 600 detectores ópticos instalados na mais recente atualização do IceCube.

Os professores da universidade Shigeru Yoshida, 60, diretor do Centro Internacional de Astrofísica de Hádrons, e Aya Ishihara, 52, comemoraram a premiação em uma coletiva de imprensa realizada em 6 de outubro no campus de Nishichiba, na cidade de Chiba. Ishihara participou remotamente, de Nagoya.

O Prêmio Nobel nomeia Halzen individualmente. As conquistas do observatório, porém, são resultado de um esforço internacional que reúne cerca de 450 cientistas de 58 instituições em 14 países. O papel de Chiba mostra como um pequeno grupo de pesquisa se tornou essencial tanto para interpretar as observações quanto para projetar a próxima geração de equipamentos.

De uma ideia de 1988 a um observatório de um quilômetro cúbico

Halzen apresentou pela primeira vez, em 1988, sua proposta de usar o gelo do Polo Sul para detectar neutrinos. Nascido em Tienen, na Bélgica, em 1944, ele obteve o doutorado na KU Leuven em 1969 e tornou-se professor em Wisconsin–Madison. Sua proposta exigia transformar um enorme volume de gelo natural em um detector de partículas, em vez de construir um recipiente laboratorial convencional.

O observatório concluído monitora um quilômetro cúbico de gelo sob a Estação Amundsen–Scott, no Polo Sul. Seu conjunto original tem 5.160 módulos ópticos distribuídos em 86 cabos, com 60 módulos em cada cabo.

A construção começou em 2004. As fontes indicam datas diferentes para sua conclusão: o histórico do projeto de Chiba situa o fim da construção em dezembro de 2010, enquanto o anúncio do Nobel descreve o IceCube como concluído em 2011. A operação plena dos 86 conjuntos de sensores começou em 2011, distinguindo o fim da instalação do início das observações com o conjunto completo.

O custo original da construção foi estimado em US$ 271 milhões, com a maior parte do financiamento fornecida pela Fundação Nacional de Ciências dos Estados Unidos (NSF). Em sua declaração sobre a premiação, a NSF afirma que investiu no projeto, na construção e na operação do IceCube por mais de duas décadas. O Programa Antártico dos Estados Unidos apoiou a construção na estação remota.

Mark Pearce, presidente do Comitê Nobel de Física, destacou a liderança de Halzen na transformação da ideia em um observatório funcional.

Francis Halzen liderou uma equipe internacional de pesquisadores e engenheiros que nos proporcionou um instrumento fantástico. Sua tenacidade e visão científica abriram caminho para um novo tipo de astronomia.

Como o gelo detecta partículas que normalmente atravessam a Terra

Neutrinos não têm carga elétrica e interagem muito raramente com a matéria. A maioria atravessa a Terra sem deixar um sinal detectável. Isso dificulta sua observação, mas também os torna mensageiros úteis: campos magnéticos não desviam suas trajetórias, como fazem com as de partículas cósmicas carregadas.

O detector não fotografa diretamente um neutrino. Quando, ocasionalmente, um neutrino interage com um núcleo atômico ou um elétron, produz partículas carregadas. Essas partículas podem emitir luz Cherenkov, uma radiação tênue produzida quando uma partícula carregada atravessa um material mais rápido do que a luz nesse mesmo material.

Os sensores ópticos do IceCube registram o momento e o brilho dessa luz. Com essas medições, os pesquisadores estimam a energia e a direção da partícula que chega. O enorme volume compensa a raridade das interações dos neutrinos.

A descrição do projeto IceCube de Chiba informa que os módulos originais ficam a profundidades entre 1.450 e 2.450 metros. Outras fontes citam faixas mais amplas, incluindo de 1.400 a 2.600 metros. A atualização mais recente exigiu perfurações até 2.600 metros, profundidade da obra que não deve ser confundida com a posição dos sensores originais.

Os módulos contêm tubos fotomultiplicadores, dispositivos que convertem pequenos flashes de luz em sinais elétricos mensuráveis. A Hamamatsu Photonics, sediada em Hamamatsu, no Japão, desenvolveu tubos usados nos detectores do IceCube, dando à indústria japonesa um papel ao lado dos pesquisadores da universidade.

Detectar a luz é apenas o primeiro passo. Juan Carlos Díaz Vélez, que trabalha no Centro de Astrofísica de Partículas IceCube de Wisconsin e coordena o processamento de dados e as simulações, afirma que o IceCube detecta mais de um milhão de múons gerados por raios cósmicos para cada neutrino detectado. Múons são partículas carregadas que também podem deixar rastros luminosos, criando um grande ruído de fundo do qual é preciso distinguir os eventos de neutrinos.

Segundo Díaz Vélez, o processamento das observações e a produção de simulações usam aproximadamente 10 mil núcleos de CPU e mil unidades de processamento gráfico em redes de computação distribuída. A NSF também destaca que seus recursos computacionais ajudam os pesquisadores a interpretar as medições do IceCube.

Os primeiros sinais de Chiba e a data da descoberta

A Universidade de Chiba afirma que seu grupo se juntou ao projeto quando a colaboração IceCube foi formada, em 2002. Yoshida conhecia Halzen desde a década de 1990, mas entrar no projeto trouxe muita incerteza. Na manifestação sobre a premiação da universidade, ele recorda o ceticismo generalizado sobre a possibilidade de os neutrinos se tornarem uma ferramenta prática para observar o universo de alta energia.

Ishihara entrou no grupo de Wisconsin em janeiro de 2005, depois de concluir o doutorado em 2004, e transferiu sua base de pesquisa para Chiba em 2006. Ela descreve uma equipe com poucos funcionários e recursos limitados que desenvolveu sua própria estratégia de análise para dar uma contribuição singular em uma colaboração muito maior.

Essa estratégia ajudou a identificar dois eventos de energia excepcionalmente alta. O histórico detalhado do projeto de Chiba os situa em agosto de 2011 e janeiro de 2012, com energias medidas de 1,04 ± 0,16 e 1,14 ± 0,17 petaelétron-volts. Um petaelétron-volt, ou PeV, equivale a um quatrilhão de elétron-volts, unidade usada para medir a energia das partículas.

A universidade apresentou os resultados iniciais em uma conferência internacional em junho de 2012. Um artigo foi publicado na Physical Review Letters em julho de 2013, e uma análise mais ampla saiu na Science em dezembro de 2013. Essa sequência explica por que Chiba descreve uma descoberta em 2012, enquanto a NSF e o anúncio do Nobel do IceCube se referem às descobertas marcantes de 2013.

As fontes divergem quanto à data dos dois primeiros eventos: uma situa sua detecção em 2013 e 2014, enquanto o relato detalhado de Chiba os situa em 2011 e 2012. O histórico da universidade também apresenta resumos diferentes das energias, mas os registros individuais dos eventos fornecem os valores e as incertezas citados acima.

Análises posteriores acrescentaram 26 eventos aos dois iniciais. Segundo o relato de Chiba, esperava-se que cerca de 11 dos 28 eventos fossem ruído de fundo, e as energias, os formatos e as direções de chegada indicavam uma origem cósmica com confiança estatística superior a quatro desvios-padrão.

Chiba compara a nova faixa de energia à dos neutrinos observados pelo Kamiokande em 1987 e descreve um aumento de cerca de 100 milhões de vezes. A NSF usa a afirmação mais ampla de que os neutrinos detectados tinham mais de um milhão de vezes a energia dos neutrinos observados anteriormente. Essas comparações usam referências diferentes e não devem ser consideradas medições idênticas.

Rastreando um neutrino até uma galáxia distante

A descoberta de neutrinos cósmicos confirmou que aceleradores naturais de partículas os produziam. Identificar uma fonte exigiu mais uma etapa: combinar a direção estimada de chegada de um neutrino com observações de outros instrumentos.

Em 22 de setembro de 2017, pelo horário do Japão, o IceCube detectou o evento conhecido como IC170922A. Satélites de raios gama e telescópios ópticos acompanharam o alerta e associaram o evento a TXS 0506+056, um blazar ligado a um buraco negro supermassivo. Os resultados foram anunciados e publicados na Science em 2018.

Um blazar é um núcleo galáctico ativo cujo poderoso jato aponta para a Terra. O relato original descreve o resultado de 2018 como evidência de que o neutrino pode ter vindo do blazar. Chiba o considera a primeira identificação de uma fonte de neutrinos, enquanto a NSF descreve o resultado de 2018 como evidência conclusiva de neutrinos provenientes de um buraco negro supermassivo em outra galáxia.

A associação dependeu do que os pesquisadores chamam de astronomia multimensageira: estudar a mesma atividade cósmica por meio de diferentes sinais, neste caso neutrinos e várias formas de radiação eletromagnética. O neutrino forneceu informações que a luz, por si só, não poderia oferecer, enquanto as observações dos telescópios ajudaram a identificar o objeto naquela direção.

Yasushi Fukazawa, professor da Universidade de Hiroshima especializado na observação do universo de alta energia, destacou a contribuição de Chiba para o desenvolvimento e a montagem dos detectores, assim como para o sistema que distribui rapidamente informações sobre neutrinos a observatórios do mundo todo. Esse sistema de alerta tornou possível o acompanhamento coordenado.

Desde então, o IceCube relatou evidências de emissão de neutrinos de outra galáxia, NGC 1068, também chamada Messier 77. Em 2023, anunciou observações de neutrinos da Via Láctea, produzindo a primeira imagem da nossa galáxia baseada em neutrinos, segundo a NSF. A evolução do trabalho vai além da detecção de partículas isoladas e passa a mapear suas fontes.

Uma rara interação de antineutrinos testa a física de partículas

Chiba também contribuiu para um resultado publicado na Nature em 2021: a primeira detecção da ressonância de Glashow por meio de um antineutrino do elétron. Um antineutrino é a contraparte de antimatéria de um neutrino.

A ressonância de Glashow é uma interação prevista na qual um antineutrino do elétron colide com um elétron e produz um bóson W, partícula envolvida na força fraca. Sua observação testou uma previsão do Modelo Padrão, teoria que descreve as partículas elementares conhecidas e suas interações.

Essa conquista dá ao IceCube duas finalidades interligadas. O observatório pode investigar os ambientes cósmicos que geram partículas energéticas e usar essas partículas para testar a física fundamental em energias difíceis de estudar com aceleradores construídos por seres humanos.

Takaaki Kajita, professor da Universidade de Tóquio que dividiu o Prêmio Nobel de Física de 2015 pela descoberta das oscilações de neutrinos, comemorou a premiação de Halzen. Kajita descreveu o IceCube como um passo há muito esperado para entender de onde vêm os raios cósmicos e como são acelerados.

Mais de 600 novos detectores instalados em janeiro

O prêmio chega após uma grande ampliação da contribuição de engenharia de Chiba. O anúncio de conclusão da atualização da universidade, publicado em 13 de fevereiro, informa que a instalação terminou em 21 de janeiro de 2026.

Uma equipe especial de aproximadamente 40 pesquisadores e engenheiros trabalhou por cerca de dois meses e meio, a partir do fim de novembro de 2025. O grupo perfurou seis poços profundos e instalou mais de 600 novos módulos ópticos no centro do detector existente.

Cerca de 40% dos novos módulos são detectores D-Egg, projetados e fabricados pelo Centro Internacional de Astrofísica de Hádrons de Chiba ao longo de mais de uma década. Grupos alemães e americanos forneceram outro modelo de detector, o mDOM.

Cada D-Egg contém dois sensores de luz sensíveis, voltados em direções opostas dentro de um invólucro de vidro. Captar a luz que vem de cima e de baixo ajuda a medir sua direção e intensidade. O invólucro também cabe em perfurações mais estreitas. Ishihara, que liderou a fabricação, integrou a equipe de instalação na Antártida.

O cronograma da construção foi exigente. A perfuração com água quente levou cerca de 60 horas para abrir e moldar um poço até 2.600 metros de profundidade. Em seguida, os instaladores precisaram baixar cerca de 110 detectores conectados em até 30 horas, antes que o acesso se fechasse com o recongelamento.

A universidade também informa que cinco detectores de demonstração fabricados em Chiba foram instalados para o desenvolvimento do IceCube-Gen2. Empresas japonesas, estudantes de pós-graduação e pesquisadores em início de carreira participaram do desenvolvimento e da produção dos detectores, ampliando a contribuição do Japão para além da análise de dados.

Um alvo maior para neutrinos de menor energia

A atualização aproxima os sensores para detectar a luz mais fraca de neutrinos de menor energia. O objetivo é alcançar a faixa dos gigaelétron-volts, ou GeV, e aprimorar as medições de como a luz se propaga no gelo ao redor. Um conhecimento melhor do gelo deve aprimorar a reconstrução das direções de chegada dos neutrinos.

Chiba informa que o volume efetivo de detecção da atualização equivale a cerca de dois milhões de toneladas de água, em comparação com aproximadamente 50 mil toneladas do Super-Kamiokande. Esses números resultam em uma proporção de cerca de 40 para 1. O volume, por si só, não determina a sensibilidade ou a precisão, já que os instrumentos têm configurações e métodos de observação diferentes.

O conjunto mais denso amplia o alcance de uma instalação conhecida pela astronomia de altíssima energia para outra faixa de energia das partículas. Chiba aponta neutrinos liberados durante o colapso gravitacional de estrelas massivas e a formação de buracos negros como um possível alvo de pesquisa, não como uma observação já realizada.

O cronograma das observações ficou mais específico. O anúncio de Chiba, em fevereiro, previa o início das observações por volta do verão de 2026, após o recongelamento do gelo, testes de comunicação, calibração e posicionamento preciso dos detectores.

Já o anúncio do Nobel do IceCube, em outubro, afirma que os primeiros dados científicos da atualização são esperados para o fim de 2026. O texto não confirma que as observações científicas completas tenham começado durante o verão.

O IceCube-Gen2 proposto teria um conjunto óptico com volume oito vezes maior que o do observatório atual e acrescentaria detecção por rádio para neutrinos de energia ainda mais alta. O projeto continua sendo uma proposta; os anúncios não definem datas de início ou conclusão da construção.

Os marcos que levaram ao prêmio

A história do IceCube reúne etapas diferentes que às vezes são condensadas em uma única data de descoberta: a proposta do instrumento, sua construção, o registro de eventos, a apresentação das análises e a publicação dos resultados.

• 1988: Halzen apresenta pela primeira vez sua proposta de detecção de neutrinos no Polo Sul.
• 2002: A colaboração IceCube é formada, e Chiba entra como sua única instituição japonesa.
• 2004–2011: A construção começa, e o observatório completo entra em operação.
• 2011–2013: Os primeiros eventos importantes são registrados, apresentados em junho de 2012 e descritos em artigos científicos em 2013.
• 2017–2018: O evento IC170922A leva à associação com o blazar TXS 0506+056 e à publicação dos resultados.
• 2021: A primeira detecção da ressonância de Glashow é publicada.
• 2023: O IceCube anuncia observações de neutrinos da Via Láctea.
• 21 de janeiro de 2026: A instalação da atualização do IceCube é concluída.
• 6 de outubro de 2026: Halzen é anunciado como laureado com o Nobel de Física.

Segundo Yoshida, a colaboração passou de cinco países na época de sua formação para 14 atualmente. Em 2020, a página do projeto de Chiba registrava cerca de 300 pesquisadores de 53 instituições em 12 países, em comparação com os cerca de 450 pesquisadores de 58 instituições atuais.

Halzen, pesquisador principal do IceCube, destacou o esforço coletivo em sua reação ao prêmio.

É um grande alívio finalmente poder dar a essa grande colaboração o reconhecimento que ela merece.

Para Chiba, o próximo marco concreto é a divulgação dos primeiros dados científicos da atualização, esperada para o fim de 2026. Seus pesquisadores também se preparam para o observatório maior proposto, enquanto continuam a busca pelos aceleradores cósmicos que produzem as partículas detectadas pelo IceCube.

Principais pontos

• Francis Halzen recebe o Prêmio Nobel de Física de 2026 pelo IceCube e pelas descobertas de neutrinos cósmicos.
• A Universidade de Chiba participa desde 2002 e continua sendo a única instituição japonesa da colaboração.
• Chiba ajudou a identificar os primeiros sinais cósmicos, uma fonte de blazar e o primeiro evento de ressonância de Glashow.
• O observatório original usa 5.160 módulos ópticos em um quilômetro cúbico de gelo antártico.
• Cerca de 40% dos mais de 600 detectores recém-instalados na atualização foram fabricados por Chiba.
• A previsão mais recente é que os primeiros dados científicos da atualização saiam no fim de 2026; o IceCube-Gen2 continua sendo uma proposta.