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Conheça a brasileira que está ajudando a resolver mistério da existência humana

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GIROSCIENCE/SHUTTERSTOCK/ARQUIVO PESSOAL/ANA MACHADO/VIX

“Enquanto todas as outras crianças faziam coisas “normais”, eu brincava com o livro de Física”, relembra a física brasileira Ana Amelia Bergamini Machado que, aos 6 anos de idade, graças a série de TV sobre divulgação científica, chamada “Cosmos”, decidiu ser física.

Nascida em Curitiba, em 1975, Ana já publicou mais de 40 artigos científicos e faz parte dos poucos físicos que saíram da teoria e foram para a prática.

Graduada em licenciatura e bacharelado em Física pela Universidade Federal do Paraná (UFPR), ela fez mestrado em Teoria de Campos (que descreve como os campos físicos interagem com a matéria) e em Física de Partículas (que estuda a que constitui a matéria) e se tornou peça importante da Física Experimental de Alta Energia no mundo, responsável pelo estudo quatro forças fundamentais da natureza e suas partículas.

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reprodução/lngs

Depois de fazer Doutorado em Física Experimental de Altas Energias, no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, aos 32 anos, Ana foi morar na Itália, com o objetivo de aprender mais e colocar na prática o que ela sabia sobre os neutrinos só na teoria, para, então, poder trazer esse conhecimento para o Brasil. Ela viveu em Áquila, uma cidade próxima de Roma, e trabalhou como pós-graduanda em diversos projetos no Laboratório Nacional del Gran Sasso (foto acima).

Durante sua estadia de 9 anos na Itália, Ana conheceu o físico Ettore Segretto, no meio do caminho. Eram colegas de trabalho e faziam pós-doutorado juntos, entretanto não interagiam socialmente fora do laboratório, principalmente porque moravam longe um do outro (uma montanha separava os dois, literalmente). “Sabe como é, né? Físico não é muito social”, brinca ela.

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Arquivo Pessoal/Ana Amélia Machado

Mas o destino queria que os dois ficassem juntos. Um terremoto em Áquila fez Ana se mudar para o outro lado da montanha, mais perto de Segretto. Então, ela começou a se encontrar com um novo grupo de pesquisadores, do qual Segretto fazia parte. “Foi quando o conheci como pessoa, e não mais como físico”, conta.

Ana e Segretto casaram-se na Itália, mas, quando acabaram o curso, voaram juntos para o Brasil trazendo na mala uma ideia que promete desvendar o mistério da existência humana: estudar a física dos Neutrinos na prática!

O que são Neutrinos: partículas invisíveis 

Neutrinos, a propósito, são partículas subatômicas neutras invisíveis. Explicando melhor: Os neutrinos, diferente de prótons, elétrons e nêutrons, não se associam para formar átomos, moléculas, etc. Eles possuem uma massa quase zero e ficam vagando sozinhos pelo espaço. São divididos em três tipos: neutrino-elétron, neutrino-muón, neutrino-tau, que têm, inclusive, a capacidade de se transformar um no outro (processo chamado de oscilação de sabor).

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Arquivo Pessoal/Ana Amelia Machado

A matéria é composta por 12 partículas fundamentais, divididas em dois conjuntos: quarks (chamados de hádrons, que são partículas mais pesadas – Ana estudava essa parte no começo da carreira) e léptons (mais leves, que não “sentem” as forças nucleares). É nesse segundo que se encaixam os neutrinos, que são partículas subatômicas neutras (não possuem carga), associados a cada tipo de lépton (o elétron, o muón e o tau).

Eles são muito pequenos e interagem pouco com a matéria convencional, o que os tornam capazes de atravessar a matéria, o que dificulta sua detecção (a primeira vez foi em 1956). Por isso, ainda se sabe muito pouco sobre essas partículas que podem ser a chave para explicar a formação dos buracos negros, por exemplo, ou como as forças da física interagem entre si.

“A física de neutrinos ainda tem algo para ser explicado. Faltam algumas informações para fechar esse modelo básico”, explica Ana.

Por que eles podem ajudar a desvendar o mistério da existência humana?

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Jurik Peter/Shutterstock

Toda partícula tem uma antipartícula (que tem a mesma natureza, mas com a carga contrária – se é um próton, que tem carga +1, sua antipartícula é o antipróton, que tem carga -1). Se eles se encontram, ele se aniquilam. Mas como no universo “nada se cria, nem se destrói, tudo se conserva”, o resultado desse encontro produz o fóton (luz), que tem energia equivalente à massa dessas duas partículas.

Da mesma forma acontece com a matéria: ela também possui a sua antimatéria, e se elas se encontram, elas se aniquilam. Ou seja, nós e toda a matéria existimos porque não nos encontramos com a antimatéria, o que significa que o “nosso universo é feito muito mais de matéria que de antimatéria. É essa assimetria que permite que o universo exista”, explica Ana.

“Mas nós ainda não entendemos o porquê disso”. A resposta para essa pergunta pode ser a chave também para responder por que nós, a matéria, existimos. Existem muitos modelos teóricos para tentar explicar. “A teoria avançou muito”, explica, Ana, “mas os experimentos ainda não acompanharam. Falta tecnologia”, aponta a física.

Pode ser que os neutrinos e suas antipartículas tenham comportamentos parecidos com a matéria e a antimatéria. Por exemplo, a antipartícula dos neutrinos podem ser eles mesmos, uma vez que não possuem carga. E se a matéria fosse sua própria antimatéria? Essas e outras dúvidas podem ser respondidas pelas descobertas realizadas pelo DUNE, que podem dar conta, inclusive, de explicar a quantidade de matéria escura que se alega existir.

Arapuca para capturar Neutrinos 

A relação da cientista com os Neutrinos, entretanto, começou antes mesmo de seu namoro com Segretto. Enquanto fazia o doutorado no RJ, Ana já começou a estudar o decaimento das partículas.

Mas foi só quando chegou à Itália que Ana participou de um experimento chamado LVD, que tinha o objetivo de detectar neutrinos, produzidos quando uma ‘estrela supernova’ (tipo de estrela que representa, na verdade, a morte de uma estrela) entra em colapso (a última estrela que temos notícia é a supernova de 1987). Depois, ela trabalhou tentando descobrir se os neutrinos são diferentes das suas antipartículas (partículas que constituem a antimatéria e tem carga oposta) ou não.

Esse foi um momento muito marcante para a física brasileira. “Eu fiz toda a conta, eu entendo a teoria, mas ela existe ou não? Eu queria testar, colocar a mão na massa”.

Para testar, Ana teria que criar uma “arapuca” para capturar os neutrinos. E a ideia de como fazer isso surgiu quando Segretto já fazia parte de sua vida.

“Essa foi uma ideia que nasceu dentro do carro”, conta Ana, dando risada ao se lembrar. Eles estavam saindo do laboratório subterrâneo em que trabalhavam em direção a casa onde moravam.

Durante 35 km, o casal ficou falando sobre como aprisionar fótons (“luz” liberada quando ocorre o choque entre partículas que podem ser neutrinos).

Eles já trabalhavam no projeto de um sistema de detecção composto por duas barras acrílicas, que serviria como guia de luz e fazia com que os fótons chegassem à extremidade das barras, onde seriam detectados.

Mas, o casal verificou que esse sistema, conhecido como DUNE (Experimento Subterrâneo Profundo de Neutrinos, em inglês), tinha uma eficiência insatisfatória para eventos de baixa energia, como é o caso dos neutrinos de supernova.

Segretto, entretanto, enquanto trabalhava no projeto do DUNE, tinha encontrado um filtro de luz com a capacidade de deixar passar alguns tipos de onda por um lado, e refletir outros tipos do outro lado.

Foi então que Ana pensou: “e se combinássemos esse filtro com os conhecidos wavelenght shifters (um material fotofluorescente que absorve fótons de alta frequência e os emite com uma frequência mais baixa)?”.

Com isso, o fóton produzido no gás nobre argônio (como não é possível ver o neutrino, o argônio permite enxergar a trajetória dele, a partir das partículas que o neutrino desloca ao passar) atravessaria o material, mas se transformaria em outro com o filtro, e por isso ele refletiria do outro lado e permaneceria “preso” no meio. Mas aí seria preciso um recipiente refletor para aprisionar os fótons: eles usaram teflon, e acoplado a ele, sensores de silício (SIPM) para conseguir fazer a detecção.

Foi durante o bate papo na volta para casa que eles entenderam que esse filtro (foto abaixo) para prender os fótons podia ser fechado. “Vamos fazer uma caixinha!”, pensaram. Assim, quando o fóton entra dentro dela, ele não consegue sair, e após algumas reflexões, ele pode ser detectado.

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Reprodução/Antonio Scarpinetti/Unicamp

Nesse momento, Ana se divertiu ao lembrar que, no Brasil, existe uma palavra que denomina uma armadilha para aprisionar passarinhos – a arapuca, um nome tupi-guarani, que servia perfeitamente para definir o que eles estavam pensando. E assim nasceu o “Projeto Arapuca”.

O desenvolvimento da tecnologia da armadilha pensada por Ana e Ettore encantou a comunidade científica e fez sucesso internacional. “Quem entende o sistema, está apostando muito”, conta ela.

Segundo Ana, já são grupos do Brasil, dos Estados Unidos e da Inglaterra, que estão trabalhando para o aprimoramento dele. Ana e Segretto hoje estão no Brasil, mas continuam firmes com o projeto. Ele é professor da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e Ana é pesquisadora colaboradora da Unicamp, e professora da Universidade Federal do ABC (UFABC).

Dune e Arapuca: entenda melhor as diferenças

Para observar e estudar os neutrinos e seus fenômenos, diversos aparelhos já foram criados. Dentre eles está o projeto DUNE, o detector de neutrinos mais sensível do mundo, uma armadilha de luz, que funciona a temperaturas muito baixas. Sua previsão de funcionamento é em 2023, mas seu protótipo deve ser testado em 2018.

São quatro grandes piscinas subterrâneas, com cerca de 1300 km, 17 mil toneladas de argônio líquido, e a 187 graus negativos para se manter conservado, em Lead, na Dakota do Sul, até Batavia, em Illinois, ambos nos EUA. São dois detectores instalados: 1 próximo ao feixe de neutrinos que será gerado, no laboratório Fermilab, e o outro na outra extremidade, no Surf.

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Arte Vix/Divulgação/DUNE

Os neutrinos viajam de um laboratório para o outro embaixo da terra, exatamente na direção em que foram mandados, sem a existência de um túnel. “A ideia é saber quantos dos neutrinos criados são convertidos em outros tipos de neutrinos, que depende da energia com que são gerados e da distância entre a geração e a detecção”, explica Ana. “Esse é apenas um dos fenômenos que queremos estudar”.

Cada encontro de um neutrino com um átomo do gás nobre argônio gera cintilação (um sinal rápido), produzindo luz depois da colisão e a ionização. O elétron que fica ligado ao argônio fica perturbado e é detectado por uma grade elétrica, que indica a trajetória e o tipo de partícula.

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Arquivo pessoal/ana machado

A arapuca criada por Ana e Segretto integra o DUNE. Ela vai ajudar a prender os neutrinos para análise. “O DUNE foi pensado para ser usado com as barras. Mas com a Arapuca agora, ele abre muitos campos diferentes para pesquisadores de várias áreas”, explica a física. Mas, a arapuca ainda vai ser testada dentro de um detector nos moldes do DUNE, antes de ir para os testes no oficial.

Ela é uma caixa retangular branca, de teflon, e possui pequenos sensores de 6x6 milímetros cada, além de um filtro e de uma película, que ao sofrer o impacto de um fóton produzido pelo choque de um neutrino, converte o fóton em uma partícula de luz de menor energia, e a deixa presa no interior da caixa.

O primeiro teste da Arapuca já foi feito em dezembro de 2016. É a primeira vez da América Latina em um projeto parecido e ele está acontecendo com participação essencial do Brasil. “Somos os atores principais”, revela Ana, orgulhosa.

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