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KM3NeT detectou neutrino cósmico recorde de 220 PeV no Mediterrâneo, energia 16 mil vezes maior que a do LHC, usando detector submarino a 3.500 metros.
Segundo o KM3NeT, em 13 de fevereiro de 2023, o detector ARCA registrou um evento extraordinário no fundo do Mar Mediterrâneo: um neutrino cósmico com energia estimada de 220 PeV, ou 220 milhões de bilhões de elétron-volts. O evento, chamado KM3-230213A, foi publicado na revista Nature em fevereiro de 2025 após dois anos de análise. O neutrino viajou quase horizontalmente por aproximadamente 140 km através de rocha e água antes de interagir com o Mediterrâneo e acender mais de um terço dos fotomultiplicadores do detector. A assinatura foi clara, brilhante e compatível com origem cósmica.
O KM3NeT é uma infraestrutura europeia formada por dois detectores no fundo do Mediterrâneo: o ARCA, instalado ao largo da Sicília, a 3.500 metros de profundidade, e o ORCA, instalado a 40 km da costa de Toulon, na França, a 2.450 metros.
KM3NeT detectou o neutrino mais energético já observado no Mediterrâneo
O evento KM3-230213A é considerado o neutrino mais energético já observado. O dado impressiona ainda mais porque foi detectado quando apenas uma fração do detector final estava em operação.
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A energia de 220 PeV coloca esse neutrino muito acima das escalas produzidas por máquinas humanas. Para comparação, o LHC, em Genebra, colide prótons a 13,6 TeV, enquanto o neutrino detectado pelo KM3NeT tinha energia cerca de 16 mil vezes maior.
Essa diferença mostra que algum processo cósmico natural foi capaz de acelerar partículas a níveis muito além da tecnologia humana atual. A fonte pode estar ligada a buracos negros supermassivos, galáxias ativas, magnetares ou outros fenômenos extremos do universo.
Neutrinos cósmicos atravessam planetas, estrelas e galáxias quase sem interagir
Neutrinos são algumas das partículas mais difíceis de detectar no universo. Eles têm massa quase zero, não têm carga elétrica e interagem raramente com a matéria.
A cada segundo, trilhões de neutrinos solares atravessam cada centímetro quadrado do corpo humano sem produzir qualquer efeito perceptível. A maioria atravessa a Terra inteira como se o planeta fosse quase transparente.
Essa característica torna os neutrinos extremamente difíceis de capturar. Para detectar poucos eventos por ano, é necessário transformar volumes gigantescos de água, gelo ou outro meio transparente em detectores de partículas.
Detector submarino precisa ter escala gigantesca porque neutrinos quase nunca colidem
Um neutrino de energia comum precisaria atravessar uma quantidade imensa de matéria para ter chance razoável de interagir com um átomo. Por isso, detectores como o KM3NeT precisam usar o próprio mar como parte do instrumento científico.
Quando um neutrino de altíssima energia finalmente interage com um núcleo atômico na água, ele produz uma cascata de partículas secundárias. Essas partículas geram um flash de luz azul chamado radiação Cherenkov.
Essa luz dura frações de nanossegundo, mas pode ser captada por sensores extremamente sensíveis. O KM3NeT foi construído para registrar esse clarão minúsculo no meio da escuridão absoluta do fundo do Mediterrâneo.
Radiação Cherenkov funciona como um estrondo sônico dentro da água
A radiação Cherenkov acontece quando partículas carregadas atravessam a água mais rápido do que a luz consegue se propagar naquele meio. Isso não viola a velocidade da luz no vácuo, mas cria um efeito semelhante ao estrondo sônico de um avião supersônico.
No caso do KM3NeT, esse efeito aparece como uma emissão azulada. Os fotomultiplicadores registram a chegada dos fótons com precisão de nanossegundos.
Comparando o tempo de chegada da luz em diferentes sensores, os físicos conseguem reconstruir a trajetória da partícula secundária. A partir disso, inferem a direção original do neutrino cósmico.
ARCA e ORCA estudam perguntas diferentes sobre neutrinos e o universo
O KM3NeT é formado por dois detectores independentes. O ARCA, sigla de Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss, fica ao largo de Portopalo di Capo Passero, na Sicília, e foi projetado para detectar neutrinos cósmicos de alta energia.
O ORCA, sigla de Oscillation Research with Cosmics in the Abyss, fica próximo a Toulon, na França, e tem outro objetivo: estudar propriedades fundamentais dos neutrinos atmosféricos produzidos pela interação de raios cósmicos com a atmosfera da Terra.
A diferença entre os dois está na geometria. O ARCA cobre volume maior para capturar eventos raros e energéticos, enquanto o ORCA usa sensores mais próximos para medir neutrinos menos energéticos com maior precisão.
ARCA terá 128 mil fotomultiplicadores para observar neutrinos de alta energia
Na configuração final, o ARCA terá 230 cordas verticais, cada uma com 18 módulos ópticos digitais. Cada módulo contém 31 fotomultiplicadores, tubos capazes de converter um único fóton em sinal elétrico amplificado bilhões de vezes.
Isso resulta em 128.340 fotomultiplicadores apenas no ARCA. Eles ficarão distribuídos no fundo do mar, formando uma rede tridimensional de sensores voltados para a detecção de flashes Cherenkov.
O espaçamento entre as cordas do ARCA é de 95 metros, com módulos separados por 36 metros. Essa arquitetura foi pensada para neutrinos cósmicos de altíssima energia, que produzem sinais brilhantes o suficiente para serem detectados a grandes distâncias.
ORCA vai medir oscilações de neutrinos e investigar a hierarquia de massa
O ORCA tem geometria mais densa, com cordas espaçadas por apenas 20 metros. Seu objetivo é medir neutrinos atmosféricos de energia muito menor, na faixa de GeV, que geram sinais mais fracos.
Esse detector estuda a oscilação dos neutrinos, fenômeno no qual os três tipos conhecidos dessas partículas se transformam uns nos outros enquanto viajam. A forma como essa oscilação ocorre pode revelar a hierarquia de massa dos neutrinos.
Essa é uma pergunta fundamental da física de partículas. O Modelo Padrão descreve os neutrinos, mas não explica completamente suas massas nem a ordem exata entre elas.
KM3NeT terá 200 mil olhos eletrônicos no fundo do Mar Mediterrâneo
Quando completo, o KM3NeT vai instrumentar mais de um quilômetro cúbico de água mediterrânea com cerca de 200 mil fotomultiplicadores, distribuídos em 345 cordas verticais.
Cada corda é ancorada no fundo do mar e mantida estendida por esferas de vidro flutuantes no topo. No ARCA, as cordas têm 800 metros de comprimento; no ORCA, 400 metros.
O ambiente é extremo: pressão de centenas de atmosferas, escuridão absoluta, temperatura constante e manutenção possível apenas com navios e veículos operados remotamente. Mesmo assim, é justamente esse isolamento que torna o fundo do mar ideal para caçar flashes raríssimos de neutrinos.
Neutrino KM3-230213A atravessou 140 km de rocha antes de interagir
O neutrino detectado em fevereiro de 2023 não veio de cima, mas quase na horizontal. Ele atravessou cerca de 140 km de rocha e água antes de interagir próximo ao detector ARCA.
Essa trajetória é cientificamente importante. Neutrinos de energia extrema podem ser absorvidos se atravessarem distâncias grandes demais dentro da Terra, porque a chance de interação aumenta com a energia.
O ângulo quase horizontal criou uma condição rara: material suficiente para favorecer a detecção, mas não tanto a ponto de absorver completamente a partícula. A direção de chegada agora ajuda os cientistas a procurar a fonte cósmica responsável pelo evento.
Energia do neutrino superou em 16 mil vezes a escala do maior acelerador humano
O neutrino KM3-230213A tinha energia estimada de 220 PeV. Essa escala é difícil de imaginar, mas a comparação com o LHC ajuda a dimensionar o fenômeno.
O maior acelerador de partículas do mundo trabalha na faixa de teraelétron-volts, enquanto esse neutrino chegou ao detector com energia na faixa de petaelétron-volts. A diferença é de várias ordens de grandeza.
Isso significa que o universo produz aceleradores naturais muito mais extremos do que qualquer máquina humana. O KM3NeT não criou essa partícula; apenas registrou a passagem de uma mensageira cósmica vinda de algum dos ambientes mais violentos do cosmos.
Fundo do Mediterrâneo vira laboratório para astronomia de neutrinos
A escolha do Mediterrâneo profundo não foi casual. A escuridão absoluta reduz interferência luminosa, a água tem transparência adequada para propagação da luz azul, e a estabilidade térmica ajuda a manter os sensores operando com precisão.
Cada corda de detecção é conectada a unidades de junção no fundo do mar por cabos eletro-ópticos. Esses cabos levam energia aos módulos e transmitem dados em tempo real para laboratórios em terra.
No ARCA, os dados seguem para o laboratório do INFN em Catânia, na Sicília. No ORCA, vão para La Seyne-sur-Mer, perto de Toulon. Milhões de sinais são filtrados para separar ruído bioluminescente, raios cósmicos e eventos raros de neutrinos.
KM3NeT e IceCube podem formar uma rede global de neutrinos
Com o detector completo, o KM3NeT terá sensibilidade para confirmar ou refutar fontes candidatas de neutrinos cósmicos identificadas por outros observatórios, como o IceCube, instalado no gelo do Polo Sul.
Essa complementaridade é essencial. O IceCube observa o céu a partir do hemisfério sul, enquanto o KM3NeT, no Mediterrâneo, oferece outra perspectiva de detecção e reconstrução de trajetórias.
Juntos, esses detectores podem formar uma rede global de astronomia de neutrinos. Pela primeira vez, cientistas poderão triangular melhor a origem das partículas mais energéticas do universo, usando não luz, mas mensageiros quase invisíveis que atravessam galáxias inteiras.
