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Física de Altas Energias e Astropartículas

Com o advento dos grandes aceleradores no cenário da Física mundial, boa parte das pesquisas na área da Física das Partículas se direcionou atualmente para a área que designamos de Física das Altas Energias. Nela incluem-se também áreas correlatas, como as Astropartículas, presentes no CBPF desde os trabalhos pioneiros de Cesar Lattes, na época de sua fundação.

Recentemente tivemos a confirmação experimental da existência do bóson de Higgs, entretanto ainda restam várias questões envolvendo aspectos fundamentais da física a serem respondidas tais como: (i) por que o bóson de Higgs gera diferentes massas para diferentes partículas? (ii) qual a razão da assimetria matéria-antimatéria no Universo? (iii) quais os mecanismos responsáveis pela aceleração de raios cósmicos ultraenergéticos?

Outra questão fundamental está relacionada à Física de Neutrinos – área com notável desenvolvimento nas últimas duas décadas. A comprovação experimental de que neutrinos podem oscilar entre seus diferentes estados físicos, com a consequente implicação de que possuem massa, é um dos resultados mais importantes da Física de Partículas em anos recentes e uma forte evidência da existência de uma Física além do Modelo Padrão das Partículas Elementares. Esse resultado foi responsável pelo Prêmio Nobel de Física em 2015.

Essas questões, ligadas à compreensão da estrutura fundamental da matéria, sua natureza, produção e comportamento no Universo é foco do trabalho experimental e teórico dos cientistas do CBPF. Os grupos do CBPF são parte ativa dos trabalhos para a atualização (upgrades) em grandes colaborações internacionais e estão associados, também, à concepção e construção de novos experimentos na área. Os desafios tecnológicos impostos pela exploração destas fronteiras do conhecimento têm um impacto profundo nos processos de inovação, estando na raiz dos grandes avanços em áreas diversas como computação em nuvem e grid, equipamentos para a área da saúde, processos industriais robotizados, etc. No Brasil, estamos apenas iniciando a exploração dos benefícios gerados pela pesquisa básica nos limites do conhecimento, mas já há desdobramentos em áreas da Política Industrial, Tecnológica e de Comércio Exterior. O acesso a tecnologias avançadas coloca desafios para a indústria nacional, contribuindo para seu aprimoramento, em termos de competitividade e inserção internacional.

A adesão do Brasil ao CERN, como um País Membro Associado, abre novas oportunidades para o país. Ainda em 2015 foi assinado entre o então MCTI e o Departamento de Energia dos Estados Unidos um convênio para colaboração na Física de neutrinos e na nova geração de experimentos que estão sendo desenvolvidos nesta área. O CBPF como instituto de física do MCTIC é um candidato natural para liderar a participação brasileira nestes experimentos e fazer a interface entre a pesquisa básica e a inovação na indústria.

 

 
Partículas produzidas em colisão de prótons registrada pelo detector CMS. Traços (em amarelo) indicam a passagem de partículas carregadas eletricamente. Torres (em verde e azul) fornecem medidas da energia depositada por partículas nos calorímetros do detector. (Imagem: Colaboração CMS)

 

Desde 2014, o CBPF integra o experimento COherent Neutrino Nucleus Interaction Experiment (CONNIE), uma colaboração internacional instalada no laboratório de neutrinos na central nuclear de Angra dos Reis, que tem como objetivo a primeira observação da interação coerente neutrino-núcleo, prevista no modelo padrão das Partículas Elementares. Este experimento é pioneiro no uso de dispositivos CCDs como detectores de neutrinos, resultando em uma importante inovação tecnológica e permitindo reduzir, para algumas aplicações, o tamanho dos detectores de neutrinos.

O CBPF também está em entendimento para participação no experimento Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), com entrada em operação prevista para 2022. Esses experimentos servirão de protótipos para o desenvolvimento das novas tecnologias a serem utilizadas no DUNE, em especial os detectores de Argônio Líquido.

Outro importante projeto, liderado pelo CBPF há quase uma década, prevê o desenvolvimento e instalação de um detector de antineutrinos ao lado do Reator Angra II. Este detector deverá permitir uma medida independente da potência nuclear produzida e uma estimativa da quantidade de plutônio produzida no reator a cada ciclo de combustível. Essa medida permite também, em princípio, estimar a composição isotópica do combustível nuclear no final do ciclo de combustível, podendo vir a constituir-se em uma nova ferramenta para o uso em programas de salvaguardas nucleares, por isso, o projeto tem sido apoiado pela Eletronuclear, CNEN e Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA).

As instituições que trabalham nestas áreas estão essencialmente restritas ao eixo Rio - São Paulo. O CBPF desempenha um papel catalisador na disseminação da Física das Altas Energias pelo resto do País, em particular, em centros emergentes, provendo a infraestrutura de apoio que permite aos pesquisadores de outras regiões participar de forma eficiente no trabalho de pesquisa das grandes colaborações.

 

Programas na área:

  1. Programa de Intercâmbio Científico: Destina-se a promover o contínuo intercâmbio de informações entre os membros do CBPF das áreas de Física Teórica e Experimental de Altas Energias e pesquisadores brasileiros e estrangeiros, visando estimular e expandir a pesquisa de alto nível.  
  2. Programa para participação em experimentos internacionais: Destina-se a assegurar e ampliar a presença dos pesquisadores, tecnologistas e estudantes da instituição nos grandes experimentos, buscando contribuir na gestão científica e no desenvolvimento tecnológico dos mesmos. 
  3. Produção Científica e Desenvolvimento Tecnológico: Destina-se a produzir pesquisa avançada na área de Física Experimental de Altas Energias e Astropartículas, com impacto internacional significativo e avanços tecnológicos para a sociedade brasileira. 
  4. Programa de Instrumentação Científica para Altas Energias: Destina-se a identificar os desafios na área de Instrumentação Científica para a Física de Altas Energias e Astropartículas, incluindo a área de propriedades de neutrinos emitidos por reatores nucleares (sistemas de detecção), e realizar pesquisa e desenvolvimento de novas técnicas para os futuros experimentos.
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