Hyper-Kamiokande, no Japão: o maior observatório de neutrinos do mundo está prestes a desvendar os mistérios mais profundos do universo

Conheça o Hyper-Kamiokande: uma nova era para a ciência dos neutrinos

Nas profundezas das montanhas de Hida, na província de Gifu, no Japão, um monumental empreendimento científico está tomando forma. O observatório de neutrinos Hyper-Kamiokande, que deve se tornar o maior e mais sensível detector do tipo no mundo, abriu recentemente ao público pela primeira vez sua enorme caverna subterrânea. Esse marco representa um passo importante para desvendar alguns dos mistérios mais profundos do universo, das origens da matéria ao próprio destino do cosmos.

Com início das observações previsto para 2027–2028, o Hyper-Kamiokande (muitas vezes abreviado como Hyper-K ou HK) é o sucessor do renomado detector Super-Kamiokande. Com uma caverna de 94 metros de altura e 69 metros de diâmetro, além de um tanque planejado para conter 260.000 toneladas de água ultrapura, o Hyper-Kamiokande será muito maior que seus antecessores e ampliará drasticamente as fronteiras da física de partículas e da astrofísica.

O que são neutrinos e por que são importantes?

Os neutrinos estão entre as partículas mais abundantes do universo, mas também são algumas das mais difíceis de detectar. Às vezes chamados de “partículas fantasma”, eles não têm carga elétrica, são incrivelmente pequenos — cerca de 100 mil vezes mais leves que um elétron — e interagem tão pouco com a matéria que trilhões atravessam nosso corpo a cada segundo sem deixar vestígios. Apesar de sua abundância, os neutrinos são notoriamente difíceis de detectar, o que exige detectores enormes e sensíveis, protegidos dos raios cósmicos e de outras fontes de ruído de fundo.

Compreender os neutrinos é fundamental porque eles guardam pistas sobre algumas das maiores questões da física. Suas propriedades podem ajudar a explicar por que o universo é composto principalmente de matéria, e não de antimatéria, como as estrelas explodem em supernovas e se os prótons — os blocos que formam os átomos — são realmente estáveis ou podem decair em escalas de tempo inimagináveis.

O projeto Hyper-Kamiokande: ambição em grande escala

O Hyper-Kamiokande está sendo construído a 600 metros de profundidade, na região de Kamioka, na cidade de Hida, província de Gifu. O local foi escolhido por suas rochas estáveis, pela infraestrutura de mineração já existente e pela proteção natural oferecida pela montanha, que filtra os raios cósmicos e outras partículas interferentes. O detector principal será um gigantesco tanque cilíndrico, com 71 metros de altura e 68 metros de diâmetro, revestido por mais de 20.000 tubos fotomultiplicadores (PMTs) ultrassensíveis, projetados para captar os tênues flashes de luz Cherenkov produzidos quando um neutrino interage com moléculas de água.

A escala do projeto é sem precedentes: o Hyper-Kamiokande conterá cerca de oito vezes o volume de água usado no Super-Kamiokande, permitindo observar muito mais interações de neutrinos e com precisão muito maior. O projeto é liderado pelo Instituto de Pesquisa de Raios Cósmicos (ICRR) da Universidade de Tóquio, em colaboração com a Organização de Pesquisa em Aceleradores de Alta Energia (KEK) e mais de 100 instituições de mais de 20 países, em um esforço científico verdadeiramente global.

Etapas da construção e desafios

A escavação da caverna principal começou em 2021, após anos de planejamento, estudos geológicos e colaboração internacional. O túnel de acesso, que avança 2 quilômetros montanha adentro, foi concluído no início de 2022, e a seção em cúpula da caverna principal ficou pronta no fim de 2023. A seção cilíndrica, que compõe a maior parte do volume do detector, está sendo escavada em etapas, com conclusão prevista para 2024. O aumento dos custos dos materiais e os desafios de engenharia adiaram o início das observações, inicialmente previsto para 2027, para 2028, mas o projeto continua avançando em direção a suas ambiciosas metas.

O professor Masato Shiozawa, do ICRR e uma das principais figuras do projeto, demonstrou otimismo durante a recente apresentação:

Nosso objetivo é produzir resultados que mudem fundamentalmente nossa compreensão das partículas elementares.

Quando a caverna estiver pronta, os engenheiros instalarão o tanque, revestirão seu interior com fotodetectores e o encherão com água ultrapura. Toda a instalação foi projetada para minimizar o ruído de fundo e maximizar a sensibilidade aos sinais raros e sutis produzidos pelas interações de neutrinos.

Como o Hyper-Kamiokande detecta neutrinos?

A detecção de neutrinos depende de um fenômeno chamado radiação Cherenkov. Quando um neutrino ocasionalmente colide com um elétron ou núcleo na água, pode produzir uma partícula carregada que se move mais rápido que a luz na água (mas não mais rápido que a luz no vácuo). Isso cria um tênue clarão azul em forma de cone — a radiação Cherenkov — que pode ser detectado pelos tubos fotomultiplicadores que revestem o tanque.

Ao analisar o tempo e o padrão desses flashes, os cientistas conseguem reconstruir a energia, a direção e o tipo (ou “sabor”) do neutrino que chegou. O tamanho gigantesco e os sensores avançados do Hyper-Kamiokande permitirão detectar neutrinos de várias fontes, entre elas:

• Neutrinos produzidos por raios cósmicos que atingem a atmosfera terrestre
• Neutrinos solares gerados no interior do Sol
• Neutrinos de supernovas distantes e outros eventos cósmicos
• Feixes artificiais de neutrinos produzidos no acelerador J-PARC, a 295 quilômetros de distância, em Tokai, na província de Ibaraki

Objetivos científicos: investigar os segredos mais profundos do universo

O Hyper-Kamiokande foi projetado para enfrentar algumas das questões mais fundamentais da física e da cosmologia. Entre seus principais objetivos científicos estão:

1. Investigar as oscilações de neutrinos e a violação de CP

Há três tipos de neutrinos — elétron, múon e tau —, e eles podem se transformar de um tipo em outro durante o deslocamento, em um fenômeno conhecido como oscilação de neutrinos. Essa descoberta, feita no Super-Kamiokande em 1998, provou que os neutrinos têm massa e rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2015.

Uma das principais prioridades do Hyper-Kamiokande é estudar se neutrinos e suas contrapartes de antimatéria (antineutrinos) oscilam de maneira diferente — uma diferença conhecida como violação de carga e paridade (CP). Se confirmada, a violação de CP em neutrinos poderia ajudar a explicar por que o universo contém mais matéria do que antimatéria, um mistério central da cosmologia.

Ao comparar feixes de neutrinos e antineutrinos enviados pelo J-PARC e medir suas oscilações com precisão sem precedentes, o Hyper-Kamiokande pretende dar uma resposta definitiva a essa questão. Após uma década de coleta de dados, espera-se que o experimento alcance uma medição de “padrão-ouro”, com significância de 5 sigma, para a violação de CP em uma ampla faixa de valores possíveis.

2. Buscar o decaimento do próton: testar as teorias da grande unificação

O decaimento do próton é um processo hipotético previsto por muitas teorias que buscam unificar as forças fundamentais da natureza. Se os prótons puderem decair, isso significaria que a matéria é, em última análise, instável em escalas de tempo extremamente longas — muito maiores que a idade do universo. Detectar o decaimento do próton revolucionaria nossa compreensão da física e poderia apontar o caminho para uma “Teoria de Tudo”.

Seu enorme volume e seus detectores sensíveis fazem do Hyper-Kamiokande o melhor laboratório do mundo para buscar o decaimento do próton. Mesmo que nenhum decaimento seja observado, o experimento estabelecerá novos limites inferiores para o tempo de vida do próton, restringindo ou descartando muitos modelos teóricos.

3. Observar neutrinos de supernovas e neutrinos relíquias

Quando uma estrela massiva explode como supernova, ela libera uma enxurrada de neutrinos que pode chegar à Terra antes da luz da explosão. O Hyper-Kamiokande será capaz de detectar dezenas de milhares de neutrinos de uma supernova em nossa galáxia, oferecendo uma perspectiva única dos processos que criam elementos pesados e moldam a evolução do cosmos.

Além disso, o detector buscará o fundo difuso de neutrinos relíquias de todas as supernovas ocorridas no passado, fornecendo informações sobre a história da formação de estrelas e o ciclo de vida da matéria no universo.

4. Estudar neutrinos solares, atmosféricos e geoneutrinos

O Hyper-Kamiokande dará continuidade ao legado de seus antecessores ao medir neutrinos solares, investigar o funcionamento interno do Sol e testar modelos de física estelar. Também estudará neutrinos atmosféricos para aprimorar nossa compreensão das oscilações de neutrinos e da ordenação de massas.

Os geoneutrinos — neutrinos produzidos pelo decaimento radioativo no interior da Terra — ajudarão os cientistas a investigar a estrutura interna do planeta e a geração de calor, com implicações para a geologia e o campo geomagnético.

Colaboração internacional e inovação tecnológica

O projeto Hyper-Kamiokande é um exemplo de cooperação científica internacional. Mais de 560 pesquisadores de mais de 100 instituições em 21 países estão envolvidos, com contribuições importantes do Japão, do Reino Unido, do Canadá, da Itália, do México e de outros países. O orçamento do projeto, estimado em cerca de US$ 600 milhões, é financiado principalmente pelo governo japonês, com apoio significativo de parceiros internacionais.

Os avanços tecnológicos são essenciais para as capacidades do Hyper-Kamiokande. Os novos tubos fotomultiplicadores, desenvolvidos pela empresa japonesa Hamamatsu e por outros parceiros, são mais sensíveis e confiáveis que os das gerações anteriores. O sistema de purificação da água, indispensável para reduzir o ruído de fundo, está entre os mais avançados do mundo. O aprendizado de máquina e a inteligência artificial estão sendo usados para analisar o enorme volume de dados gerado, e instituições como o Tecnológico de Monterrey, no México, contribuem com sua experiência em software e processamento de dados.

O legado do Japão na pesquisa de neutrinos

O Japão está na vanguarda da ciência dos neutrinos há décadas. O experimento original Kamiokande, na década de 1980, fez a primeira detecção de neutrinos solares e observou neutrinos da supernova SN1987A, o que levou ao Prêmio Nobel de 2002 para Masatoshi Koshiba. Construído na década de 1990, o Super-Kamiokande descobriu as oscilações de neutrinos e tem sido fundamental para ampliar nossa compreensão dessas partículas.

O experimento T2K, que envia um feixe de neutrinos do J-PARC ao Super-Kamiokande, forneceu medições importantes das propriedades dos neutrinos e preparou o terreno para a pesquisa de próxima geração do Hyper-Kamiokande. O novo observatório dará continuidade a esse legado, ampliando as fronteiras do conhecimento e inspirando as futuras gerações de cientistas.

Concorrência global e experimentos complementares

O Hyper-Kamiokande faz parte de uma corrida global para desvendar os segredos dos neutrinos. Entre os outros grandes projetos estão o Experimento de Neutrinos no Subsolo Profundo (DUNE), nos Estados Unidos, que utiliza tecnologia de argônio líquido, e o Observatório de Neutrinos Subterrâneo de Jiangmen (JUNO), na China. Cada experimento tem pontos fortes e abordagens próprios, e seus resultados serão complementares, permitindo a verificação cruzada e uma visão mais completa do universo dos neutrinos.

Como observou Takaaki Kajita, ganhador do Nobel e uma das principais figuras da área, a complementaridade desses experimentos é essencial para um avanço científico sólido. A comprovada tecnologia de Cherenkov em água do Hyper-Kamiokande, combinada à sua escala sem precedentes, dá ao projeto uma vantagem em sensibilidade e versatilidade.

O que vem pela frente: as promessas do Hyper-Kamiokande

Com a escavação perto do fim e a instalação dos componentes do detector prestes a começar, cresce a expectativa na comunidade científica. Os primeiros dados do Hyper-Kamiokande podem chegar já em 2027–2028, inaugurando uma nova era de descobertas.

O diretor Masato Shiozawa, do ICRR, resumiu a empolgação e a ambição do projeto:

Espero ver resultados de pesquisa que surpreendam a todos, por isso incentivo as pessoas a acompanharem as novidades do projeto.

Seja para revelar os segredos das oscilações de neutrinos, captar o primeiro indício do decaimento do próton ou fornecer alertas antecipados de supernovas, o Hyper-Kamiokande está prestes a inaugurar uma era de ciência transformadora. Suas descobertas podem reformular nossa compreensão do universo e do nosso lugar nele.

Em resumo

• O Hyper-Kamiokande deve se tornar o maior e mais sensível observatório de neutrinos do mundo, localizado a 600 metros de profundidade em Hida, na província de Gifu, no Japão.
• O projeto pretende responder a questões fundamentais sobre o universo, incluindo a origem da matéria, a estabilidade dos prótons e o comportamento dos neutrinos.
• A construção da caverna principal está quase concluída, e a instalação do detector e as primeiras observações estão previstas para 2027–2028.
• O Hyper-Kamiokande usará um enorme tanque de água ultrapura e dezenas de milhares de tubos fotomultiplicadores para detectar os tênues flashes de luz das interações de neutrinos.
• O experimento é uma colaboração global que envolve mais de 100 instituições de mais de 20 países, com importantes inovações científicas e tecnológicas.
• A liderança do Japão na pesquisa de neutrinos, reconhecida com dois Prêmios Nobel, continua com o Hyper-Kamiokande, que complementará outros grandes experimentos internacionais.
• A comunidade científica espera descobertas revolucionárias que podem mudar fundamentalmente nossa compreensão da física e do universo.