Investigar o comportamento de partículas chamadas neutrinos pode ajudar a compreender por que a matéria predomina sobre a antimatéria no universo e levar a descobertas de relevância científica comparável à de trabalhos reconhecidos com o Nobel de Física. Essa é uma das possibilidades apontadas pelo físico Gustavo do Amaral Valdiviesso, professor do Instituto de Ciência e Tecnologia (ICT), do campus Poços de Caldas da UNIFAL-MG, ao apresentar as questões que o DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) pretende investigar. Em construção nos Estados Unidos, o experimento internacional conta com a participação de pesquisadores da Universidade desde 2015.
Graduado e pós-graduado em Física pela Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Gustavo Valdiviesso começou a pesquisar neutrinos no mestrado, em 2002. Após um doutorado de perfil mais teórico, realizou estágio de pós-doutorado no CERN, laboratório europeu onde teve seu primeiro contato com a física de partículas experimental. Ao ingressar na UNIFAL-MG, em 2010, passou a integrar o Double Chooz, experimento com o qual colaborou durante cinco anos e participou de uma medida inédita de uma propriedade dos neutrinos.
Uma curiosidade desse período é que um dos primeiros resultados do Double Chooz apareceu na série norte-americana The Big Bang Theory. A medição está anotada no quadro ao fundo de uma cena do 11º episódio da quinta temporada, exibido em 2011.
Em 2015, recebeu o convite para integrar o DUNE e o SBND, experimentos ligados ao Fermilab, nos Estados Unidos. Com apoio de bolsas de pesquisa do laboratório e da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), permaneceu um ano naquele país, onde desenvolveu habilidades em instrumentação e ajudou a construir o SBND. Hoje, o grupo da UNIFAL-MG mantém colaborações oficiais com o Fermilab e o CERN, que realiza testes com protótipos de tecnologias destinadas ao DUNE, incluindo aquelas desenvolvidas no Brasil.
Na entrevista ao Jornal UNIFAL-MG, o professor explica como essas partículas são detectadas, apresenta as frentes de atuação da Universidade em computação e instrumentação e comenta os avanços do SBND. Também aborda as tecnologias que surgem da pesquisa básica, as perspectivas de descobertas científicas e a formação de estudantes em colaborações internacionais, experiência que, segundo ele, ainda esbarra na escassez de recursos para financiar a mobilidade estudantil.
Confira a entrevista na íntegra:
Prof. Gustavo, para quem não acompanha a Física, o que são os neutrinos e o que o Projeto DUNE pretende descobrir ao estudá-los?
Gustavo do Amaral Valdiviesso: Primeiro, deixe explicar o que são os neutrinos. Lembra-se de quando aprendemos sobre os elementos químicos e como todos são organizados na tabela periódica? Todos os átomos destes elementos são formados pelas mesmas três partículas subatômicas: elétrons, prótons e nêutrons. Então átomos são construções feitas por estas partículas. Existem partículas que são feitas por outras ainda menores, como os prótons e os nêutrons. De certa forma, prótons e nêutrons são miniátomos, feitos por partículas chamadas quarks. Por outro lado, existem partículas que não são feitas de mais nada, como os elétrons e os quarks. Chamamos estas de partículas elementares. Mas existem outras partículas elementares que fazem parte da natureza, porém não dos átomos, e por isso demoramos para descobri-las.
Os neutrinos são uma categoria de partículas elementares que não pertencem aos átomos, mas que fazem parte dos processos de formação e desintegração dos elementos. Por isso, vemos neutrinos vindo do Sol e das demais estrelas, que obtêm sua energia fundindo elementos químicos, e também de elementos radioativos, reatores. nucleares e do núcleo da Terra, que contém quantidades consideráveis de elementos radioativos.
Porém, por mais que saibamos muito sobre os neutrinos hoje, ainda há inúmeros mistérios que o cercam e, como tudo na ciência, a solução destes mistérios pode estar ligada a outros quebra-cabeças científicos com implicações mais profundas para nossa compreensão do universo e do nosso lugar nele.
O DUNE foi projetado para tentar responder o maior número destes mistérios em uma tacada só, por assim dizer. O mais relevante, e que eventualmente poderia levar a um prêmio Nobel, seria a descoberta da chamada violação de carga-paridade (violação CP). Este fenômeno está ligado ao fato de que, apesar de as leis da natureza serem iguais para matéria e antimatéria, o universo é feito apenas de uma delas, a matéria, e a outra desapareceu por completo após o Big Bang. Veja que, quando matéria encontra antimatéria, elas se aniquilam, restando apenas luz e calor. Por causa da violação de CP, a matéria foi ligeiramente favorecida no Big Bang: a cada 1 bilhão de pares de matéria-antimatéria que se aniquilaram, uma partícula de matéria não tinha um par. Há fortes indícios de que os neutrinos estejam envolvidos neste desbalanço e, se confirmado, esta seria uma descoberta no mesmo nível de quando o LHC descobriu o famoso Bóson de Higgs.
Como o experimento vai detectar essas partículas e por que os grandes detectores precisam ficar a cerca de 1,5 quilômetro de profundidade?
Gustavo do Amaral Valdiviesso: Cada detector emprega técnicas diferentes e tanto DUNE quanto SBND empregam câmaras de projeção temporal de argônio líquido (LArTPC), técnica que permite reconstruir o caminho feito pelas partículas com resolução de 5 mm.
Lembre-se de que o DUNE tem 60 m de comprimento, então, proporcionalmente, as imagens que vamos obter têm uma resolução melhor do que a maioria das câmeras convencionais. Aliás, a analogia com uma câmera fotográfica é bastante pertinente neste caso. Fotografar neutrinos é como fazer uma foto noturna, em que a câmera precisa se ajustar à falta de luz para conseguir formar uma imagem. Mas, se nestas condições uma fonte de luz entra de repente no campo de visão, isso ofusca a imagem e não vemos nada. O céu é uma fonte de partículas constantes que ofuscam a imagem quando tentamos fotografar os neutrinos. Por isso os detectores precisam ficar tão profundos: para barrar as partículas que vêm de cima, produzidas na atmosfera.
Em que etapa o DUNE está atualmente? Quais são os próximos passos e qual é a previsão para o início da coleta de dados científicos?
Gustavo do Amaral Valdiviesso: O DUNE tem três frentes de construção que correm em paralelo, mas precisam ser todas concluídas para que o experimento funcione: a fonte de neutrinos, o laboratório subterrâneo e os detectores em si. Enquanto o laboratório é uma responsabilidade exclusiva do Fermilab, nos EUA, a fonte e os detectores são compartilhados com outras instituições e outros países. O laboratório acaba de ficar pronto, o que permite que as universidades ao redor do mundo comecem a mandar seus equipamentos para lá, para que os detectores sejam construídos, com o primeiro deles esperado para 2028 e o segundo até 2030. A fonte deve estar operacional em 2031, quando o experimento finalmente entra em funcionamento. Efetivamente, os primeiros dados começam a surgir já em 2029, com o primeiro detector funcionando, mesmo sem a fonte de neutrinos. Em maior parte, serão dados operacionais sobre calibração e sensibilidade, mas também sobre neutrinos de fontes naturais, como aqueles que são produzidos na atmosfera e, potencialmente, em outras partes da galáxia. Já os tão esperados dados sobre violação-CP só terão início em 2031 e podem levar até 20 anos para que os estudos sejam concluídos. DUNE é um experimento geracional, em que centenas de cientistas, profissionais e estudantes farão sua carreira nele.
A UNIFAL-MG participa do DUNE desde 2015. Quais são hoje as principais responsabilidades da universidade no projeto? Quem são as demais instituições participantes?
Gustavo do Amaral Valdiviesso: A UNIFAL-MG contribui em duas frentes: uma de computação e outra de instrumentação, porém não faz nenhuma das duas sozinha. Somos parceiros de outras instituições que incluem universidades federais, estaduais e institutos de pesquisa, que formam o dune-br (www.dune-br.org). Juntos, colaboramos para o desenvolvimento dos sensores de luz do DUNE e também para o desenvolvimento do sistema de purificação de argônio líquido.
Cada grupo contribui de acordo com suas capacidades para um ou mais subprojetos, dentro destes dois campos. A UNIFAL-MG, em particular, desenvolveu simulações para as ARAPUCAS (sensores de luz 100% brasileiros) e para os lasers de calibração. Também contribuímos para a construção de monitores de pureza de argônio líquido e para os destes de novas mídias de filtragem. Mais recentemente, temos investido na pesquisa do uso de inteligência artificial nos algoritmos de detecção e no desenvolvimento de novos sensores.
Em paralelo às tecnologias já estabelecidas e contratadas pelo DUNE, buscamos novos conceitos e ideias que possam aprimorar ainda mais as capacidades do DUNE no futuro. Além das áreas de pesquisa, também temos responsabilidades operacionais.
A UNIFAL-MG é responsável pelo desenvolvimento do banco de dados para as milhares de peças que compõem o sistema de detecção de luz do DUNE, assim como o controle de qualidade na sua construção. Participamos também de diversos grupos estruturais dentro e fora das colaborações. Mas, notavelmente, temos um acento no ICFA (International Comittee for Future Accelerators), dentro de um painel que define as políticas de curadoria, preservação e democratização dos dados científicos produzidos, tanto por experimentos como DUNE e SBND, quanto por tantos outros em operação hoje e no futuro.
Quantos professores e estudantes da UNIFAL-MG integram atualmente a equipe e em quais frentes atuam?
Gustavo do Amaral Valdiviesso: Somos três docentes oficialmente em DUNE e um em processo de entrada, tanto de Poços quanto de Alfenas. Em dez anos, 30 estudantes já passaram pelo grupo, entre graduação e pós. Os estudantes e pesquisadores atuam nas diversas frentes listadas na questão anterior. A lista completa de egressos pode ser conferida na página do nosso grupo no CNPq: http://dgp.cnpq.br/dgp/espelhogrupo/783412.
Em nossa reportagem de 2024, divulgamos as primeiras interações de neutrinos registradas pelo SBND, construído com a colaboração da UNIFAL-MG. O que avançou desde aquelas primeiras detecções e como os conhecimentos produzidos nesse experimento podem contribuir para o DUNE?
Gustavo do Amaral Valdiviesso: Quanto ao experimento SBND, este divulgou seus primeiros resultados recentemente, no dia 30/10/2026. É a maior amostra de eventos de interação neutrino-argônio, com 12.804 sinais e 91% de pureza. Determinou-se a seção de choque de eventos com apenas 1 próton e 1 múon no estado final, correspondendo às interações de corrente carregada, em função de três variáveis que caracterizam o desbalanço cinemático transverso da interação. Os resultados mostram discrepância significativa com todas as previsões dos três melhores modelos atuais e os resultados observados. Este é um grande avanço em ciência básica e também na direção ao uso de neutrinos como sondas para física nuclear.
Para o experimento DUNE esta informação é fundamental. Precisamos prever quantas interações de neutrinos teremos e de quais tipos serão, para garantir que o projeto do detector irá atingir seus objetivos. Também serve para reduzir as incertezas futuramente associadas às medidas feitas pelo DUNE. Tudo isso só é possível porque SBND e DUNE empregam exatamente a mesma tecnologia de detecção, a LArTPC, permitindo uma transferência direta dos resultados de um para o outro. É claro que tudo isso foi planejado há quase 20 anos e vem sendo brilhantemente executado pelas equipes dos dois experimentos, que têm um grande número de colaboradores em comum.
Nossas reportagens mostram estudantes da UNIFAL-MG desenvolvendo pesquisas no Fermilab e no CERN. Que oportunidades estão abertas hoje para estudantes da graduação e da pós-graduação, e como essa experiência contribui para a formação deles?
Gustavo do Amaral Valdiviesso: Desde o primeiro dia, nossos estudantes têm a oportunidade de participar remotamente das reuniões dos diversos grupos de pesquisa dentro da colaboração. Isso abre portas para que façam contatos ao redor do mundo, principalmente com outros estudantes com quem vão trabalhar juntos hoje e no futuro, ao longo de suas carreiras científicas. Muitas oportunidades vêm por meio desta rede de contatos, como convites para doutorados e pós-doutorados no exterior. Estas conexões também permitem que os estudantes pratiquem o uso do inglês, principalmente com os termos pertinentes às suas linhas de pesquisa. Oportunidades como estas estão abertas e não têm barreiras de entrada. Porém, o financiamento para mobilidade estudantil é escasso. Graças a aportes recentes da FAPEMIG, por meio de dois grandes projetos de internacionalização aprovados pela PRPPG, tem sido possível manter estas parcerias, no que tange aos pesquisadores.
Já para os estudantes é ainda mais difícil. No passado tivemos financiamentos estrangeiros, do Fermilab e do Reino Unido, que permitiram que alguns estudantes desenvolvessem suas pesquisas fora do Brasil. Infelizmente, cortes nos financiamentos em ciência básica no mundo todo acabaram eliminando quase que totalmente esta possibilidade. Isto não significa que os estudantes não vão, mas que este tipo de experiência formativa não é para todos. Em janeiro de 2027, iremos com uma comitiva de 5 estudantes e 3 docentes para o CERN apresentar nossos resultados no encontro da colaboração DUNE. Enquanto os pesquisadores ainda têm apoio de algumas fontes, os estudantes irão todos por sua conta, arcando pessoalmente com as despesas da viagem. Isto é triste, pois o Brasil é reconhecido mundialmente pela sua competência científica e a UNIFAL-MG em particular, tem celebrado acordos de cooperação com instituições de renome como o CERN e o Fermilab, mas isso não garante que nossos estudantes tenham condições de aproveitar tais oportunidades. Seguimos negociando com a FAPEMIG e outras fontes de fomento que coloquem os estudantes no centro das políticas de internacionalização.
Outra oportunidade de formação será a terceira edição da Escola Brasileira de Neutrinos, que será realizada na UNIFAL-MG, no campus Poços de Caldas, de 22 a 28 de agosto de 2027. A escola é uma iniciativa dos membros brasileiros do DUNE, mas não se limita a estudantes do experimento. Ao longo de uma semana, os estudantes têm contato com os fundamentos teóricos e experimentais da física de neutrinos, com aulas e oficinas ministradas por pesquisadores brasileiros e convidados internacionais. Com base nas edições anteriores, a expectativa é que as 40 vagas sejam totalmente preenchidas por estudantes de graduação e pós-graduação do Brasil e da América Latina.
Além de investigar questões fundamentais sobre o universo, o desenvolvimento dos detectores já gerou tecnologias ou métodos que possam ser utilizados em outras áreas? Há algum exemplo concreto?
Gustavo do Amaral Valdiviesso: Sim, tanto na física de neutrinos quanto na física de partículas em geral. A grande maioria das novas tecnologias surge do desenvolvimento dos detectores em si.
Na fase de pesquisa e desenvolvimento, universidades criam novos conceitos com base em ciência de ponta e transferem esta tecnologia para indústrias que se candidatam a fabricar e vender tais componentes de volta para o experimento. Um exemplo icônico que gosto de citar, pelo simples fato de que a maioria das pessoas nunca ouviu falar, é a câmara proporcional multifios (Multi-Wire Proportional Chamber, MWPC, em inglês). Este sensor foi inventado pelo físico polonês Georges Charpak, em 1968. Este detector de partículas é um precursor da LArTPC, usada no DUNE e no SBND, e que causou uma grande revolução em como detectamos partículas. Mas o que as pessoas nem imaginam é que este sensor, criado para ciência básica, também causou uma revolução na medicina diagnóstica, possibilitando a tomografia computadorizada, a cintilografia e o raio-X digital. Versões modernas da MWPC existem em todos os hospitais e salvam vidas todos os dias. Charpak foi reconhecido com o Prêmio Nobel de Física de 1992 e morreu em 2010 aos 97 anos. Quando me perguntam “para que serve um neutrino?” eu sei que as pessoas esperam que eu diga algo que envolva o neutrino em si, e sim, já existem aplicações para ele, mas o maior volume de retorno tecnológico vem do desenvolvimento dos equipamentos em si, não do objeto da pesquisa. Chamamos isso de “transbordo tecnológico”, e é um dos subprodutos do investimento público em física de partículas. De acordo com relatórios do CERN, para unidade monetária (euro, dólar, reais, não importa), a sociedade recebe 180% de volta, na forma de formação de recursos humanos, transbordo tecnológico e contratação direta de empregos.
Agora, falando do uso do neutrino em tecnologias, o Brasil é pioneiro nisso. Nós temos o primeiro monitor de neutrinos de reatores, de baixo custo e capaz de operar na superfície (ou seja, sem precisar enterrar quilômetros de baixo da terra). Ele está instalado na usina de Angra II e monitora constantemente o consumo do combustível nuclear, utilizando apenas os neutrinos que fogem do reator.
Pequeno e móvel, cabendo em um contêiner marítimo, este detector chamou a atenção da IAEA (Agência Internacional para Energia Nuclear, da ONU) por oferecer um método alternativo para monitorar usinas nucleares de forma não-invasiva, permitindo que agentes de supervisão monitorem a segurança das usinas mesmo do lado de fora da cerca. Nosso detector provou a tecnologia e agora estamos em fase de planejamento para a segunda geração, buscando maior precisão e portabilidade. A UNIFAL-MG também faz parte deste experimento, desde 2010.
