O observatório de neutrinos IceCube está em testes finais antes de implementar a nova arquitetura na Antártida.

IceCube-Gen2: novos módulos ópticos vão quadruplicar a sensibilidade e abrir caminho para uma rede de 8 km³

IceCube-Gen2, a próxima geração da arquitetura IceCube, é o observatório de neutrinos instalado nas profundezas geladas do Polo Sul. O Gen2 surge como uma extensão da infraestrutura já existente, com o objetivo de aumentar o número de eventos registados e de melhorar a sensibilidade a neutrinos de energias ultraelevadas. Recentemente, o projeto entrou na fase de ensaios finais antes da instalação no gelo. No verão antártico de 2025/2026, está prevista a colocação de 12 protótipos dos novos módulos ópticos (Gen2-DOM), no âmbito da modernização IceCube Upgrade. Isto assinala a passagem do desenvolvimento para a implementação real de uma tecnologia concebida para multiplicar por quatro a sensibilidade aos fotões face aos sistemas atuais, mantendo a eficiência de deteção de neutrinos de alta energia mesmo com uma rede mais rarefeita.

O equipamento central do observatório - os detetores - encontra-se sob uma camada de gelo com dois quilómetros de espessura. O observatório foi concebido para captar neutrinos, que ajudam a esclarecer a origem dos raios cósmicos e os processos extremos do Universo. A nova rede, com um volume de 8 km³, será composta por 120 cordas com um espaçamento aumentado até 240 metros, o que permite ampliar o volume de observação sem perder sensibilidade a acontecimentos astrofísicos raros.

Um passo decisivo na arquitetura atualizada foi a fusão de dois protótipos concorrentes de módulos - Gen2DC-16 e Gen2DC-18 - numa versão final. Estes módulos estão equipados com fotocátodos segmentados e cobertura angular 4π, o que assegura uma deteção homogénea de fotões vindos de todas as direções. As caixas dos módulos são feitas de vidro borossilicato, capaz de suportar uma pressão de funcionamento até 550 bar (e de teste até 700 bar), algo essencial para operar sob dois quilómetros de gelo. A redução do diâmetro dos módulos para 12,5 polegadas permitiu baixar os custos de perfuração, que é a parte mais cara do projeto e um fator determinante no preço global do observatório.

Do ponto de vista da engenharia, uma das soluções mais importantes foi a utilização de almofadas de gel de silicone para acoplar os fotomultiplicadores à caixa. Isto reduz ao mínimo as perdas de fotões nas interfaces entre meios e aumenta a área eficaz de recolha de luz. A eletrónica dos módulos integra FPGA (chips reprogramáveis para processamento de sinais) e microcontroladores ARM, que permitem tratar os dados com uma resolução temporal de 2,5 ns. A nova arquitetura wuBase possibilita ligar até seis módulos a um único par de fios, aumentando a eficiência da transmissão de dados em 18 vezes em comparação com o sistema atual do IceCube, com a mesma infraestrutura de cablagem.

Os testes laboratoriais confirmaram a fiabilidade dos módulos a temperaturas até -40°C. Foi dada atenção especial à análise do ruído causado pela contaminação radioativa do vidro (decaimento do potássio-40) e aos padrões de coincidência dos sinais. Estes dados permitiram demonstrar a capacidade do sistema para distinguir ruídos internos de acontecimentos físicos reais, como os múons atmosféricos.

O projeto IceCube-Gen2 avança agora para a fase de escalabilidade. A instalação dos primeiros 12 módulos em 2025/2026 abrirá caminho para uma rede de 9600 módulos, sendo que cada novo módulo óptico (Gen2-DOM) apresenta uma sensibilidade integrada aos fotões 4 vezes superior à dos módulos atuais do IceCube. Espera-se que a nova arquitetura permita estudar em detalhe os neutrinos de energias ultraelevadas. Isso tornará possível registar eventos raros ligados a fontes de raios cósmicos, como núcleos galácticos ativos e explosões de raios gama.

Os autores do projeto são especialistas de topo do IceCube-Gen2, incluindo D. Butterfield e C. Wendt: eles reuniram num único dispositivo fotossensores japoneses, vidro alemão e as suas próprias placas exclusivas (wuBase), além de coordenarem o trabalho com fabricantes internacionais (Hamamatsu no Japão, NNVT na China, Nautilus na Alemanha).