Neutrinos de pesca no gelo

Sorte ignorantes no fundo da Terra

Um dia, em fevereiro de 2000, após uma longa perfuração, Bruce Kochi e eu nos sentamos na areia na cratera de um vulcão no topo do Kilimanjaro, a uma altitude de 5600 m. Sentamos de costas contra as mochilas e assistimos o pôr do sol, enquanto Kochi se entregava às lembranças de sua carreira.

“Eu não faço isso para ser um perfurador. Eu odeio carros. Eu posso ser um dos poucos engenheiros do mundo que os trata dessa maneira. Eu os odeio. Os raros casos de raiva que aconteceram comigo foram devidos a máquinas que não estão fazendo o que deveriam fazer. ”

“Faço isso por causa da experiência. Eu pratiquei caiaque, abandonei uma boa empresa aeroespacial e decidi fazer ecologia e depois retornei à engenharia através da glaciologia , começando em Minnesota. Eu sempre vou a algum lugar só por causa do lugar em si, mas não por causa da perfuração. Eu farei o meu melhor para que a perfuração corra bem, porque isso significa que eu posso ir para outro bom lugar. "


Laboratório IceCube na Estação Antártica Amundsen-Scott. Este é um detector de partículas que procura por neutrinos que emanam das fontes astrofísicas mais brilhantes - estrelas explosivas, explosões de raios gama, cataclismos envolvendo buracos negros e estrelas de nêutrons. Antes dele havia um detector AMANDA .

Ele não era formado em glaciologia e, como se lembra, “estava ficando sem tempo muito rapidamente quando me ligaram de repente e disseram que a Universidade de Nebraska-Lincoln estava procurando uma pessoa com um diploma de engenharia que conhecesse glaciologia. Então liguei para eles, fui contratado por telefone em meados de outubro e, duas semanas depois, estava sentado em um avião voando para a plataforma de gelo Ross .

A Plataforma de Gelo Ross flutua na superfície do mar perto da Estação Antártica McMurdo e fornece uma plataforma estável para o campo de pouso da estação, Williams Field. É a maior massa de gelo flutuante do planeta, comparável em tamanho à França. Pela primeira vez, Bruce esteve lá no verão antártico de 1977-1978.

A Universidade de Nebraska-Lincoln recebeu um contrato da National Science Foundation para perfurar um poço através de 60 m de plataforma de gelo, para que um grupo de cientistas pudesse estudar o oceano escondido abaixo dela. O jato de chama usado na indústria de mineração para cortar pedra cristalina serviu como broca . Consistia em dois compressores pesando 4,5 toneladas cada, fornecendo ar sob uma pressão de 70 atmosferas para um motor a jato modificado - de fato, um queimador gigante de Bunsen - baixado para um poço com água barrenta, chama cuspida e diesel não queimado.

"Bem", disse Bruce, "ela ronca terrivelmente." Muito barulho, muita fumaça, muita sujeira. Mas ela perfurou a plataforma de gelo muito rapidamente. Acabou um buraco de cerca de 45 cm de diâmetro, para que os cientistas pudessem abaixar seus aparelhos lá e conduzir seus experimentos ".

Durante a década seguinte, ele ajudou o glaciologista Charlie Bentley, da Universidade de Wisconsin Madison, a perfurar muitos pequenos buracos com broca de água quente - em geral, uma mangueira gigante de jardim - em várias partes da Antártica, para que Bentley pudesse então jogar dinamite nos buracos e participar de experimentos sísmicos. Ele examinou a complexa arte da perfuração do núcleo de gelo , na qual um tubo de perfuração oco com paredes internas lisas, esculturas no exterior e dentes afiados abaixo periodicamente imersos no gelo para cortar segmentos e puxá-los um metro de cada vez. Ele perfurou núcleos de gelo na Groenlândia e em muitos lugares da Antártica, incluindo o pólo - e também encontrou tempo para a invenção da perfuração em alta altitude de núcleos de gelo.

Na primavera de 1990, Bruce se tornou um dos melhores especialistas. Ele participou de três dezenas de expedições de perfuração e foi o melhor especialista prático em perfuração de gelo em todas as suas formas no planeta. Quando John Kelly, diretor do Departamento de Polar Ice Core dos EUA, veio a Bruce e perguntou se seria interessante ajudar um grupo de físicos a perfurar alguns poços na Groenlândia para explorar as possibilidades de construir um telescópio de neutrinos no Pólo Sul, ele aproveitou essa chance. "Claro!" - ele lembra de suas palavras. “Este é o projeto mais interessante que eu já ouvi! Se necessário, não vou dormir e vou trabalhar à noite ".

Em agosto de 1990, Bob Morse, físico da Universidade de Wisconsin, e Tom Miller, formado pela Universidade da Califórnia em Berkeley, foram à Groenlândia para passar a primeira pesca no gelo de múons. Suas artes de pesca consistiam em três multiplicadores fotoeletrônicos obtidos por Morse.


Um sensor baixado em um poço no gelo

Bruce preparou o poço que perfurou no verão passado. Desde que os poços no gelo colapsam devido à pressão do gelo, ele o perfurou a uma profundidade de 217 metros. Os físicos baixaram a linha de pesca lá e realizaram a primeira parte das medições. Então eles decidiram que queriam aumentar a conexão óptica entre os fotomultiplicadores e o gelo, e perguntaram se os perfuradores tinham algum líquido que pudesse ser derramado no poço. Os fluidos não congelados são escassos em Greenland Heights, mas eles têm enormes reservas de acetato de butila usadas para evitar o colapso do poço. Eles o derramaram para dentro, de modo que fosse suficiente para cobrir a linha de pesca, e realizaram medidas repetidas.

"Não sei por que parecia que precisamos retirar a linha de pesca", diz Bob, "mas a retiramos e, de repente, vimos esse muco azul grosso que cobria tudo. O acetato de butila dissolveu a bainha dos fios e pintou toda a neve e líquido nas proximidades em uma linda cor azul arroxeada. Nós nos perguntamos se teríamos pelo menos alguma luz passando por ela. Fotografamos os fotomultiplicadores antes de baixar e, depois de baixar, e na segunda foto parece um grande gelo de uva. O líquido azul estava nas minhas luvas, nas roupas, no meu rosto. Era um corante usado para o cabo. A eletricidade funcionou, mas oticamente não tínhamos certeza do que havíamos feito. ”

Equipe jovem da AMANDA (matriz antártica de detectores de nêutrons e neutrinos) [matriz antártica de detectores de múon e neutrinos], que incluía Tim Miller, Buford Price, Andrew Westphal, Steve Barwick, Francis Halzen e Bob Morse, Tim Miller, Buford Price, Andrew Westphal, Steve Barwick, Francis Halzen e Bob Morse [Doug Lowder, Tim Miller, Buford Price , Andrew Westphal, Steve Barwick, Francis Halzen, Bob Morse], enviou uma carta à revista Nature publicada em setembro daquele ano. Francis acredita que esta "carta lançou o experimento", demonstrando que a idéia de usar o gelo polar como um detector de neutrinos era "ainda insana, mas não muito".

A carta diz que "o poço foi preenchido com acetato de butila, um fluido orgânico escolhido devido à baixa temperatura de congelamento e clareza óptica". Nenhuma menção ao muco azul. "Achamos os resultados inspiradores e planejamos realizar experimentos mais profundos no Polo Sul no próximo verão do sul".

É com tais obstáculos e deficiências que eles conduzem experimentos científicos. Como Bob Morse escreveu:

A Groenlândia é um ótimo exemplo de um experimento inventado às pressas para não perder a oportunidade. Foram cometidos erros e foram obtidos dados imperfeitos, que ainda eram úteis, como a falha pode ser útil com a abordagem correta. Este é um pequeno experimento que precedeu o projeto AMANDA, com todos os recursos dos projetos AMANDA e IceCube criados posteriormente. Os sucessos que vieram depois foram obtidos apenas graças à depuração dos sistemas para colocar e receber dados - mas essa tarefa não foi trivial. Um exemplo raro de como as organizações que financiaram o experimento confiam nos dados (embora imperfeitos) mais do que muitos experimentadores.

Francis acrescenta que "está claro que não tínhamos ideia do que estávamos fazendo, então esse foi um estudo real, certo?"

Ele suspeitava que “muitas pessoas tinham uma ideia semelhante, mas conheciam a glaciologia melhor que eu e obviamente decidiram que não funcionaria. Se realmente entendêssemos o que estávamos fazendo, provavelmente não o teríamos feito. E, como se viu, muitas coisas que deveríamos saber estavam erradas. ”


Instalação de aquecimento de 5 MW na plataforma IceCube. A água quente passa pelas mangueiras, do sistema de aquecimento até o local onde o gelo está sendo perfurado. A mangueira usada para a perfuração tem quase 3 km de comprimento e é enrolada em torno de um grande carretel no centro.

Nas palestras que ele dá hoje a jovens cientistas, ele às vezes usa os primeiros dias do projeto AMANDA como exemplo de aforismo: “Não leia livros, faça negócios. É melhor ser um sortudo ignorante. " As descobertas originais são geralmente feitas por jovens que não estão familiarizados com o conhecimento geralmente aceito. Ele acredita que conseguiu fazer algo original com mais de 40 anos apenas porque se sentiu "jovem de novo", no sentido de ingenuidade. "Somente quando você ainda é ignorante e não leu todos os livros, você pode fazer algo original e novo."

Ele entrou no mundo das experiências, não controlado pela lógica clara da teoria. Nas experiências, é preciso não apenas levar em consideração muitos pontos práticos e estratégicos - às vezes é melhor parar de pensar por um momento e apenas fazer alguma coisa.

Se ele lesse um livro oficial sobre a óptica do gelo e da água, "aprenderia" que o tempo de absorção da luz azul no gelo puro - a distância em que cerca de dois terços da luz é absorvido - é de cerca de 8 metros. E então tudo acabaria. Eles devolveriam os fotomultiplicadores e voltariam para casa. Se a radiação de Cherenkov fosse realmente absorvida a uma distância tão curta, seriam necessários cerca de 2 milhões de fotomultiplicadores para encher um quilômetro cúbico de gelo e levaria apenas cerca de US $ 6 bilhões a eles. Felizmente, o livro estava muito errado. Eles obtiveram um valor aproximado de 18 metros a partir dos dados da Groenlândia e, embora esse número também estivesse incorreto, foi um passo na direção certa.

Alguns anos depois, quando eles ainda estavam tentando entender o gelo, mas já haviam recebido sinais de que o comprimento de absorção era realmente superior a 18 metros, a biblioteca de Madison entregou por engano livros destinados a outra pessoa no escritório de Francis. Naturalmente, ele começou a olhar através deles e, quando alcançou as informações sobre o comprimento de absorção de oito metros, sentiu um calafrio percorrer suas costas.

No sul da primavera de 1991, Bob Morse, Bruce Kochi, Steve Barwick e Tim Miller viajaram para o sul para realizar a primeira perfuração da AMANDA. O experimento do PICO, buscando evidências diretas da existência de matéria escura, também enviou uma equipe de perfuração, que incluía Bill Barber, um britânico alto, de boa índole, calmo e incrivelmente forte.

Eles queriam usar uma mangueira com um bico no final para pulverizar água quente em um fluxo paralelo, após o qual o bico deveria simplesmente ser imerso no gelo derretido sob a influência da gravidade. Ao perfurar com água quente, você precisa de muita água quente sob alta pressão e de uma mangueira de grande diâmetro com bom isolamento térmico das paredes, para que a água permaneça quente ao longo do caminho e transfira o máximo de calor possível pelo bico para o gelo. É verdade que é necessário manter um equilíbrio e deixar escapar algum calor pelas paredes laterais, para que a água não congele na parte superior do poço. Um dia, Bruce ressaltou que não existem telescópios de neutrinos muito grandes e "não há exercícios muito grandes com água quente, porque o melhor exercício é aquele que perfura um poço instantaneamente". É claro que é uma broca imaginária - fornecendo uma quantidade ilimitada de calor quase instantaneamente -, mas transmite a essência: você precisa de muito calor e de uma mangueira enorme.

Bruce sabia que a instalação deles, chamada Bucky-1, tinha sérias limitações em ambos os aspectos. O diâmetro da mangueira era de apenas 2,5 cm, e a estação de aquecimento, que continha várias caldeiras na rua, diretamente no gelo, produzia apenas 0,5 MW de energia. A primeira broca de água quente que ele usou na plataforma Ross utilizou uma estação de 2 MW. "Sabíamos que o Bucky-1 tinha limitações, mas não sabíamos exatamente quais, pois era geralmente a primeira vez que alguém tentava perfurar gelo tão frio e profundo". Ele calculou que, quando ultrapassarem 1000 m, o calor que sai devido a perdas ao longo do comprimento da mangueira excederá a energia gerada pela estação. Em outras palavras, a parte inferior da mangueira pode congelar. Ele podia jogar jogos diferentes, tentando impedir que ele congelasse, por exemplo, constantemente aumentando e abaixando-o para aquecer a água no buraco que acabara de ser feito, mas isso exigiria combustível adicional e seria muito difícil.

"Perfurar água quente não é para fracos", diz ele. "Estamos tentando manter uma temperatura de pelo menos 50 graus, e isso nem sempre é agradável."

A equipe do projeto AMANDA atraiu a todos com suas banheiras, nas quais a água era aquecida para a perfuração. Até a fundação científica interromper esse negócio, eles faziam festas em banheiras de hidromassagem no local da perfuração. E é bom que eles tenham se divertido, porque a perfuração em si foi mais ou menos.

No segundo poço, eles eram gananciosos e tentaram cair abaixo de 1000 m. Isso levou ao pior resultado que se pode esperar da perfuração a quente.

"O Bucky-1 ficou preso conosco", lembrou Bob mais tarde. "Ele ainda está lá."

"Sim, como uma etiqueta de radar", disse Bruce.

Bob estava dormindo na tenda de Jamesweiss no Ártico, quando um perfurador do PICO, Dave Kestor, enfiou a cabeça na cortina e sussurrou que tinha más notícias. Como um dos três turnos do acampamento está constantemente tentando adormecer, o silêncio é constantemente mantido no "acampamento de verão".

“O que devemos fazer? - perguntou Dave. "Para baixar nossas ferramentas lá ou não?"

"Meu Deus, eu não sei", respondeu Bob. Eu acho que sim. Já investimos muito nesse buraco. Nós devemos fazer tudo o que pudermos. ”

Ele saiu da cama e foi procurar Steve Barvik. "Eu digo:" Steve, eles têm uma broca presa lá. " Steve ficou furioso e começou a gritar - ele não sabia onde estava Tem Miller, então foi procurar todas as tendas às três da manhã e gritou com todas as suas forças: “Tim Miller? Tim Miller, onde você está? Onde você está por aí? ”E pensei que agora um trabalhador pesado de dois metros se levantasse e atingisse Steve. Eu pensei que ele tinha um boné. "

O PICO realizou apenas dois turnos, cada um dos quais trabalhou por 12 horas, e a broca ficou no turno da noite. Bruce estava de dia e, apesar de ainda não ter dormido muito durante a perfuração, caminhou ao lado, manteve-se atualizado, nem mesmo em seu turno - estava dormindo quando um incômodo aconteceu. E eles não apenas ficaram presos na broca, mas também pararam o fluxo de água na mangueira. Esta é provavelmente a única situação com a perfuração de água quente, da qual não há saída.

"Quem já perfurou água quente pelo menos uma vez na vida cometeu um erro e não teve calor suficiente", disse Bruce mais tarde. Ele decidiu que eles tiveram sorte de chegar a tal profundidade.

Eles tentaram retirá-lo com um trator Caterpillar D7 .

Bob disse: “Essa maldita mangueira puxou como uma corda de violino. Ele encolheu até a metade do seu diâmetro. Apenas Bill Barber teve a coragem de ir para lá e ficar de pé quando a mangueira estava saindo desse buraco, depois pegar a serra e cortá-la. E vimos como essa mangueira desaparece no buraco na velocidade do som, e ouvimos um "fyuyuyuyuyu".

E nessa situação, quando o final da broca e uma parte bastante grande da mangueira desapareciam no poço, eles seguiram o conselho de Bob sonolento e baixaram a linha de pesca com o equipamento lá. Por alguma razão - a mangueira estava presa ou o poço era muito estreito - foram apenas 150 m. Então eles começaram a se preocupar que a luz da superfície pudesse chegar aos detectores e bloquear qualquer sinal de múon que pudesse receber. Os fotomultiplicadores foram extremamente sensíveis; eles trabalhavam no nível de fótons únicos, ou seja, podiam detectar partículas individuais de luz.

"Olhei em volta e disse:" Precisamos tapar um buraco. Por que calá-la? ”Bob lembra. - Tínhamos amianto e sacos de lixo verdes. Os ambientalistas teriam colocado tijolos se descobrissem o seguinte: comecei a colocar isolamento de amianto nas sacolas para ganhar volume e joguei-as no buraco, tentando fazer um plugue da luz. Eu acho que joguei três ou quatro lá - tanto quanto eu joguei. "

Física experimental, com todas as deficiências e problemas.

Mark Bowen é escritor e físico. Ele escreveu para as revistas Escalada, História Natural, Ciência, Revisão de Tecnologia, AMC Outdoors e está envolvido em projetos AMANDA e IceCube desde 1998. Trecho de O Telescópio no Gelo, 2017.