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Caçando partículas de fantasmas sob o lago mais profundo do mundo

Um telescópio, o maior de seu tipo no hemisfério norte, foi construído para explorar buracos negros, galáxias distantes e os restos de estrelas explodidas.

Caçando partículas de fantasmas sob o lago mais profundo do mundoCientistas registram uma esfera de detecção de luz, uma das 36 a serem submersas 2.300 pés abaixo da superfície do Lago Baikal, na Rússia, na segunda-feira, 1º de março de 2021. (Sergey Ponomarev / The New York Times)

Escrito por Anton Troianovski e Sergey Ponomarev

Uma esfera de vidro, do tamanho de uma bola de praia, cai em um buraco no gelo e desce por um cabo de metal em direção ao fundo do lago mais profundo do mundo.

Depois outro e outro.

Esses orbes detectores de luz param suspensos nas profundezas totalmente escuras, até 4.000 pés abaixo da superfície. O cabo que os transporta mantém 36 dessas esferas, espaçadas a 15 metros. Existem 64 cabos desse tipo, mantidos no lugar por âncoras e bóias, a 2 milhas da costa sul recortada deste lago na Sibéria, com um fundo de mais de 1 milha para baixo.

Este é um telescópio, o maior de seu tipo no hemisfério norte, construído para explorar buracos negros, galáxias distantes e os restos de estrelas explodidas. Ele faz isso procurando neutrinos, partículas cósmicas tão minúsculas que muitos trilhões passam por cada um de nós a cada segundo. Se pudéssemos aprender a ler as mensagens que eles carregam, acreditam os cientistas, poderíamos mapear o universo e sua história de maneiras que ainda não podemos compreender totalmente.

Caçando partículas de fantasmas sob o lago mais profundo do mundoUm telescópio de localização de neutrinos fica a 3 km da costa sul do Lago Baikal, na Sibéria, em 14 de setembro de 2017. (Sergey Ponomarev / The New York Times)

Você nunca deve perder a chance de fazer qualquer pergunta à natureza, disse Grigori V. Domogatski, 80, um físico russo que liderou a busca para construir este telescópio subaquático por 40 anos.

Depois de uma pausa, ele acrescentou: Você nunca sabe a resposta que receberá.

Ainda está em construção, mas o telescópio com que Domogatski e outros cientistas há muito sonham está mais perto do que nunca de apresentar resultados. E esta busca por neutrinos dos confins do cosmos, abrangendo eras na geopolítica e na astrofísica, lança luz sobre como a Rússia conseguiu preservar algumas das proezas científicas que caracterizaram a União Soviética - bem como as limitações desse legado.

A aventura no Lago Baikal não é o único esforço para caçar neutrinos nos lugares mais remotos do mundo. Dezenas de instrumentos buscam as partículas em laboratórios especializados em todo o planeta. Mas o novo projeto russo será um complemento importante para o trabalho do IceCube, o maior telescópio de neutrinos do mundo, um projeto liderado por americanos de US $ 279 milhões que abrange cerca de um quarto de milha cúbica de gelo na Antártica.

Caçando partículas de fantasmas sob o lago mais profundo do mundoYevgeny Pliskovsky, um cientista, monitora dados de um edifício na costa do Lago Baikal, na Rússia, na segunda-feira, 1º de março de 2021. (Sergey Ponomarev / The New York Times)

Usando uma grade de detectores de luz semelhante ao telescópio Baikal, o IceCube identificou um neutrino em 2017 que os cientistas disseram que quase certamente veio de um buraco negro supermassivo. Foi a primeira vez que os cientistas identificaram uma fonte de chuva de partículas de alta energia do espaço conhecidas como raios cósmicos - um avanço para a astronomia de neutrinos, um ramo que permanece em sua infância.

Os praticantes do campo acreditam que, à medida que aprendem a ler o universo usando neutrinos, eles podem fazer descobertas novas e inesperadas - da mesma forma que os fabricantes de lentes que desenvolveram o telescópio não poderiam ter imaginado que Galileu o usaria mais tarde para descobrir as luas de Júpiter.

É como olhar para o céu à noite e ver uma estrela, Francis L. Halzen, astrofísico da Universidade de Wisconsin, Madison, e diretor do IceCube, disse em uma entrevista por telefone, descrevendo o estado atual da caça ao partículas fantasmagóricas.

Os primeiros trabalhos de cientistas soviéticos ajudaram a inspirar Halzen na década de 1980 a construir um detector de neutrinos no gelo da Antártica. Agora, Halzen diz que sua equipe acredita que pode ter encontrado duas fontes adicionais de neutrinos vindos das profundezas do espaço - mas é difícil ter certeza porque ninguém mais os detectou. Ele espera que isso mude nos próximos anos, com a expansão do telescópio Baikal.

Temos que ser superconservadores porque ninguém, no momento, pode verificar o que estamos fazendo, disse Halzen. É emocionante para mim ter outro experimento para interagir e trocar dados.

Caçando partículas de fantasmas sob o lago mais profundo do mundoAs bóias esperam para serem emparelhadas com os detectores de luz esféricos antes de serem submersas sob o gelo no Lago Baikal, na Rússia, na segunda-feira, 1º de março de 2021. (Sergey Ponomarev / The New York Times)

Na década de 1970, apesar da Guerra Fria, os americanos e os soviéticos estavam trabalhando juntos para planejar um primeiro detector de neutrinos em águas profundas na costa do Havaí. Mas depois que a União Soviética invadiu o Afeganistão, os soviéticos foram expulsos do projeto. Então, em 1980, o Instituto de Pesquisa Nuclear de Moscou iniciou seu próprio esforço de neutrino-telescópio, liderado por Domogatski. O lugar a ser experimentado parecia óbvio, embora ficasse a cerca de 2.500 milhas de distância: Baikal.

O projeto não foi muito além do planejamento e design antes do colapso da União Soviética, jogando muitos dos cientistas do país na pobreza e seus esforços em desordem. Mas um instituto fora de Berlim, que logo se tornou parte do centro de pesquisa de partículas DESY da Alemanha, juntou-se ao esforço de Baikal.

Christian Spiering, que liderou a equipe alemã, lembra do envio de centenas de quilos de manteiga, açúcar, café e salsicha para sustentar as expedições anuais de inverno no gelo do Baikal. Ele também trouxe para Moscou milhares de dólares em dinheiro para complementar os magros salários dos russos.

Domogatski e sua equipe persistiram. Quando um fabricante de eletrônicos lituano se recusou a aceitar rublos como pagamento, um dos físicos negociou o pagamento com um vagão cheio de madeira de cedro, lembra Spiering.

Em uma conversa com Spiering, Domogatski uma vez comparou seus cientistas ao sapo em um provérbio russo que caiu em um barril de leite e só tinha uma maneira de sobreviver: tem que continuar se movendo, até que o leite se transforme em manteiga.

Em meados da década de 1990, a equipe russa conseguiu identificar os neutrinos atmosféricos - aqueles produzidos por colisões na atmosfera da Terra - mas não os que chegam do espaço sideral. Seria necessário um detector maior para isso. Quando a Rússia começou a reinvestir em ciência na década de 2000 sob o presidente Vladimir Putin, Domogatski conseguiu garantir mais de US $ 30 milhões em financiamento para construir um novo telescópio Baikal tão grande quanto o IceCube.

O lago tem até 1,6 km de profundidade, com algumas das águas doces mais límpidas do mundo e uma ferrovia da era czarista convenientemente contorna a costa sul. Mais importante, é coberto por uma camada de gelo de 90 cm de espessura no inverno: a plataforma ideal da natureza para a instalação de uma matriz fotomultiplicadora subaquática.

É como se o Baikal fosse feito para esse tipo de pesquisa, disse Bair Shaybonov, pesquisador do projeto.

A construção começou em 2015, e uma primeira fase englobando 2.304 orbes detectores de luz suspensas nas profundezas está programada para ser concluída até o derretimento do gelo em abril. (As órbitas permanecem suspensas na água o ano todo, procurando neutrinos e enviando dados para a base do lago dos cientistas por cabo subaquático.) O telescópio coleciona dados há anos, mas o ministro da ciência da Rússia, Valery N. Falkov, mergulhou uma motosserra no gelo como parte de uma cerimônia de abertura feita para a televisão neste mês.

Caçando partículas de fantasmas sob o lago mais profundo do mundoO sol nasce sobre o Lago Baikal, na Rússia, na quinta-feira, 4 de março de 2021. Um metro de gelo cobre o lago no inverno, uma plataforma ideal para a instalação de uma matriz fotomultiplicadora subaquática. (Sergey Ponomarev / The New York Times)

O telescópio Baikal olha para baixo, através de todo o planeta, do outro lado, em direção ao centro de nossa galáxia e além, essencialmente usando a Terra como uma peneira gigante. Na maioria das vezes, as partículas maiores que atingem o lado oposto do planeta eventualmente colidem com os átomos. Mas quase todos os neutrinos - 100 bilhões dos quais passam pela ponta do dedo a cada segundo - continuam, essencialmente, em linha reta.

No entanto, quando um neutrino, raramente, atinge um núcleo atômico na água, ele produz um cone de luz azul chamado radiação Cherenkov. O efeito foi descoberto pelo físico soviético Pavel A. Cherenkov, um dos ex-colegas de Domogatski no corredor de seu instituto em Moscou.

Se você passar anos monitorando um bilhão de toneladas de águas profundas em busca de flashes inimaginavelmente minúsculos de luz Cherenkov, muitos físicos acreditam, você acabará encontrando neutrinos que podem ser rastreados até conflagrações cósmicas que os emitiram a bilhões de anos-luz de distância.

A orientação dos cones azuis revela até a direção precisa de onde vieram os neutrinos que os causaram. Por não terem carga elétrica, os neutrinos não são afetados por campos magnéticos interestelares e intergalácticos e outras influências que embaralham os caminhos de outros tipos de partículas cósmicas, como prótons e elétrons. Os neutrinos percorrem o universo tão diretamente quanto a gravidade einsteiniana permite.

Isso é o que torna os neutrinos tão valiosos para o estudo dos eventos mais antigos, distantes e violentos do universo. E eles poderiam ajudar a elucidar outros mistérios, como o que acontece quando estrelas muito mais massivas que o Sol colapsam em uma bola superdensa de nêutrons com cerca de 19 quilômetros de diâmetro - emitindo enormes quantidades de neutrinos.

Ele viaja pelo universo, colidindo com praticamente nada e ninguém, Domogatski disse sobre o neutrino. Para isso, o universo é um mundo transparente.

Como ele essencialmente olha através do planeta, o telescópio Baikal estuda o céu do hemisfério sul. Isso o torna um complemento ao IceCube na Antártica, junto com um projeto europeu no Mediterrâneo que está em uma fase anterior de construção.

Precisamos de um equivalente ao IceCube no hemisfério norte, disse Spiering, que continua envolvido nos projetos IceCube e Baikal.

Domogatski disse que sua equipe já está trocando dados com caçadores de neutrinos em outros lugares e que encontrou evidências que apóiam as conclusões do IceCube sobre os neutrinos que chegam do espaço sideral. Ainda assim, ele reconhece que o projeto Baikal está muito atrás de outros no desenvolvimento do software de computador necessário para identificar neutrinos quase em tempo real.

Apesar da importância do projeto, ele ainda está operando com um orçamento apertado - quase todos os cerca de 60 cientistas que trabalham no telescópio geralmente passam fevereiro e março em seu acampamento em Baikal, instalando e consertando seus componentes. O IceCube, por outro lado, envolve cerca de 300 cientistas, a maioria dos quais nunca esteve no Pólo Sul.

Atualmente, Domogatski não se junta mais às expedições anuais de inverno ao Baikal. Mas ele ainda trabalha no mesmo instituto da era soviética onde manteve seu sonho de neutrino à tona durante o comunismo, a caótica década de 1990 e mais de duas décadas de governo de Putin.

Se você assumir um projeto, deve entender que deve realizá-lo em quaisquer condições que surjam, disse Domogatski, batendo em sua mesa para dar ênfase. Do contrário, não adianta nem começar.