First results of the NEXT-100 detector using $^{83m}$Kr decays

Nas profundezas do mundo subatômico, existe um evento raro e misterioso que os físicos têm caçado há décadas: o decaimento duplo beta sem neutrinos. Nas regras padrão da natureza, certos átomos podem se transformar emitindo dois elétrons e duas partículas invisíveis chamadas neutrinos. No entanto, se um tipo específico de neutrino existir — um que é sua própria antipartícula, conhecido como partícula de Majorana — esse processo poderia ocorrer sem a liberação desses neutrinos. Encontrar esse decaimento reescreveria nossa compreensão do universo, provando que a matéria e a antimatéria estão mais profundamente ligadas do que pensávamos. Para capturar esse evento fugaz, os cientistas precisam de detectores de imensa sensibilidade e precisão, capazes de distinguir um único e raro sinal de um mar de ruído de fundo. O desafio não reside apenas em construir um recipiente grande o suficiente, mas em garantir que cada minúscula parte da energia liberada em seu interior seja medida com perfeição e clareza.

Uma equipe de pesquisadores conhecida como colaboração NEXT tem trabalhado nesse desafio usando um detector especializado preenchido com gás xenônio de alta pressão. Seu esforço mais recente, o experimento NEXT-100, iniciou recentemente sua primeira fase de operação nas profundezas do subsolo no Laboratorio Subterráneo de Canfranc, na Espanha. Esta instalação foi projetada para ser uma câmera tridimensional gigante que pode rastrear os caminhos dos elétrons com detalhes incríveis. O objetivo é, eventualmente, preencher o detector com uma versão pesada e enriquecida de xenônio e esperar que o raro decaimento ocorra. Antes de poderem iniciar essa longa busca, entretanto, eles devem provar que a máquina funciona exatamente como pretendido. Em seu primeiro grande relatório, a equipe descreve como testou a visão do detector usando uma fonte de energia artificial e segura para mapear seu desempenho e garantir que ele seja estável o suficiente para os anos de coleta de dados à frente.

Para testar a máquina, os pesquisadores introduziram uma pequena quantidade de um gás radioativo chamado criptônio-83m na câmara preenchida com xenônio. Este gás atua como uma fonte de energia perfeita e conhecida, decaindo de uma forma que libera um surto de energia preciso e minúsculo, equivalente a 41,5 quiloeletronvolts. Como essa energia é tão baixa e consistente, ela serve como uma régua confiável contra a qual o detector pode ser medido. À medida que os átomos de criptônio decaem por todo o volume do detector, eles criam flashes de luz que são captados por dois conjuntos diferentes de sensores. Um conjunto de sensores, localizado em uma extremidade do cilindro, mede a quantidade total de luz para determinar a energia do evento. O outro conjunto, uma grade de minúsculos sensores de luz no lado oposto, captura a forma e a posição da luz para reconstruir exatamente onde o evento aconteceu em três dimensões. Ao analisar milhões desses eventos, a equipe pôde criar um mapa detalhado de como o detector responde à energia em cada ponto individual dentro da câmara.

Os resultados desta calibração inicial foram altamente encorajadores. Os pesquisadores descobriram que a resposta do detector não era perfeitamente uniforme; a quantidade de luz coletada variava ligeiramente dependendo de onde o evento ocorria, influenciada pela geometria da câmara e pelo comportamento dos elétrons enquanto derivavam através do gás. No entanto, ao usar os dados dos decaimentos de criptônio para criar um mapa de correção, eles foram capazes de ajustar as leituras e tornar a visão do detector uniforme em todo o volume. Após aplicar essas correções, a equipe mediu a capacidade do detector de distinguir entre diferentes níveis de energia, uma qualidade conhecida como resolução de energia. No volume total do detector, eles alcançaram uma resolução de 4,37 por cento. Quando focaram em uma região central, de comportamento bem definido, que imita as condições de sua futura operação de alta pressão, a resolução melhorou para 4,16 por cento.

Esses números são significativos porque indicam que o detector está performando melhor do que seus alvos de projeto. A equipe calculou que, se estivessem procurando pela energia muito mais alta do decaimento duplo beta sem neutrinos, que é de cerca de 2,458 megaeletronvolts, o desempenho do detector escalaria para uma resolução de energia de aproximadamente 0,5 por cento. Isso está bem abaixo do limiar de um por cento necessário para separar efetivamente o sinal raro do ruído de fundo. Além disso, o estudo mostrou que o detector é notavelmente estável ao longo do tempo. Durante um período de três meses, os sensores e o gás dentro dele permaneceram consistentes, com a saída de luz variando menos de dois por cento e a pureza do gás permanecendo alta o suficiente para permitir que os elétrons viajem livremente sem serem perdidos.

O sucesso desta primeira execução com o detector NEXT-100 marca um passo crítico à frente na busca pelo decaimento duplo beta sem neutrinos. Ao provar que a máquina pode mapear seu próprio cenário interno com tal precisão e manter esse desempenho ao longo do tempo, a colaboração validou a tecnologia necessária para a próxima fase do experimento. A equipe planeja aumentar a pressão do gás xenônio para seu nível total de operação no início de 2026, momento em que o detector estará pronto para iniciar sua longa busca pelo raro decaimento. Por ora, os dados confirmam que o instrumento não apenas foi construído de acordo com as especificações corretas, mas também está funcionando com a estabilidade e a clareza necessárias para potencialmente descobrir um dos segredos mais profundos do universo.