O trabalho da Universidade de Chiba no IceCube contribui para o Nobel da Física de 2026 atribuído a Francis Halzen

A única equipa japonesa do IceCube participa numa conquista global

Francis Halzen, de 82 anos, da Universidade de Wisconsin–Madison, foi distinguido com o Prémio Nobel da Física de 2026 pelo Observatório de Neutrinos IceCube e pela descoberta de partículas de alta energia provenientes de fontes cósmicas distantes. O anúncio, feito a 6 de outubro, reconhece também o contributo científico da Universidade de Chiba, a única instituição japonesa na colaboração, que participa no projeto desde 2002.

A Real Academia Sueca das Ciências afirma no seu anúncio do Prémio Nobel que Halzen foi distinguido «pelos contributos decisivos para o Observatório de Neutrinos IceCube e pela descoberta de neutrinos de alta energia de origem astrofísica». O prémio tem um valor de 12 milhões de coroas suecas.

O contributo de Chiba vai desde a identificação dos primeiros sinais de neutrinos cósmicos à construção de instrumentos hoje enterrados sob o Polo Sul. Os seus investigadores ajudaram a associar um neutrino a uma galáxia distante, participaram na primeira deteção de uma rara interação de antineutrinos e fabricaram cerca de 40% dos mais de 600 detetores óticos instalados na mais recente atualização do IceCube.

Os professores da universidade Shigeru Yoshida, de 60 anos, diretor do Centro Internacional de Astrofísica de Hadrões, e Aya Ishihara, de 52 anos, saudaram a distinção numa conferência de imprensa realizada a 6 de outubro no campus de Nishichiba, na cidade de Chiba. Ishihara participou à distância, a partir de Nagoya.

O Prémio Nobel distingue Halzen a título individual. As conquistas do observatório, porém, resultam de um esforço internacional que envolve cerca de 450 cientistas de 58 instituições em 14 países. O papel de Chiba mostra como um pequeno grupo de investigação se tornou central tanto na interpretação das observações como na conceção da próxima geração de equipamento.

De uma ideia de 1988 a um observatório de um quilómetro cúbico

Halzen apresentou pela primeira vez, em 1988, a sua ideia de usar o gelo do Polo Sul para detetar neutrinos. Nascido em Tienen, na Bélgica, em 1944, doutorou-se na KU Leuven em 1969 e tornou-se professor na Universidade de Wisconsin–Madison. A sua proposta consistia em transformar um enorme volume de gelo natural num detetor de partículas, em vez de construir um recipiente laboratorial convencional.

O observatório concluído instrumenta um quilómetro cúbico de gelo sob a Estação Amundsen–Scott do Polo Sul. A matriz original inclui 5160 módulos óticos distribuídos por 86 cabos, com 60 módulos em cada cabo.

A construção começou em 2004. As fontes indicam datas diferentes para a sua conclusão: o historial do projeto de Chiba situa o fim da construção em dezembro de 2010, enquanto o anúncio do Nobel refere que o IceCube ficou concluído em 2011. O funcionamento pleno das 86 linhas começou em 2011, distinguindo o fim da instalação do início das observações com a matriz completa.

O custo inicial da construção foi estimado em 271 milhões de dólares, tendo a Fundação Nacional para a Ciência dos EUA assegurado a maior parte do financiamento. Na sua declaração sobre o prémio, a NSF afirma ter investido na conceção, construção e operação do IceCube durante mais de duas décadas. O Programa Antártico dos EUA apoiou a construção na estação remota.

Mark Pearce, presidente do Comité Nobel da Física, destacou a liderança de Halzen na transformação da ideia num observatório operacional.

Francis Halzen liderou uma equipa internacional de investigadores e engenheiros que nos proporcionou um instrumento fantástico. A sua perseverança e visão científica abriram caminho a um novo tipo de astronomia.

Como o gelo deteta partículas que normalmente atravessam a Terra

Os neutrinos não têm carga elétrica e interagem muito raramente com a matéria. A maioria atravessa a Terra sem deixar qualquer vestígio detetável. Isso torna-os difíceis de observar, mas também os transforma em mensageiros valiosos: os campos magnéticos não desviam a sua trajetória, ao contrário do que acontece com as partículas cósmicas carregadas.

O detetor não fotografa diretamente um neutrino. Quando um neutrino interage ocasionalmente com um núcleo atómico ou um eletrão, produz partículas carregadas. Estas podem emitir luz de Cherenkov, a ténue radiação produzida quando uma partícula carregada atravessa um material a uma velocidade superior à da luz nesse material.

Os sensores óticos do IceCube registam a duração e a intensidade dessa luz. Os investigadores usam essas medições para estimar a energia e a direção da partícula incidente. O enorme volume compensa a raridade das interações dos neutrinos.

A descrição do projeto IceCube de Chiba indica que os módulos originais estão a profundidades entre 1450 e 2450 metros. Outras fontes apresentam intervalos mais amplos, incluindo entre 1400 e 2600 metros. A atualização mais recente implicou perfurar até aos 2600 metros, uma profundidade de construção que não deve ser confundida com a localização dos sensores originais.

Os módulos incluem tubos fotomultiplicadores, dispositivos que convertem pequenos flashes de luz em sinais elétricos mensuráveis. A Hamamatsu Photonics, sediada em Hamamatsu, no Japão, desenvolveu tubos utilizados nos detetores do IceCube, conferindo à indústria japonesa um papel a par do dos investigadores universitários.

Detetar a luz é apenas o primeiro passo. Juan Carlos Díaz Vélez, do Centro de Astrofísica de Partículas IceCube de Wisconsin, que coordena o processamento de dados e as simulações, afirma que, por cada neutrino detetado pelo IceCube, o observatório deteta mais de um milhão de muões gerados por raios cósmicos. Os muões são partículas carregadas que também podem deixar rastos luminosos, criando um elevado nível de ruído de fundo face ao qual é necessário identificar os eventos de neutrinos.

Segundo Díaz Vélez, o processamento das observações e a produção de simulações recorrem a cerca de 10 000 núcleos de CPU e 1000 unidades de processamento gráfico em redes de computação distribuída. A NSF também destaca que os seus centros de computação ajudaram os investigadores a interpretar as medições do IceCube.

Os primeiros sinais de Chiba e a data da descoberta

A Universidade de Chiba afirma que o seu grupo aderiu ao projeto quando a colaboração IceCube foi formada, em 2002. Yoshida conhecia Halzen desde a década de 1990, mas a adesão ao projeto implicava uma grande incerteza. Na sua reação à distinção, recorda que havia um ceticismo generalizado quanto à possibilidade de os neutrinos se tornarem uma ferramenta prática para observar o universo de alta energia.

Ishihara integrou o grupo de Wisconsin em janeiro de 2005, depois de concluir o doutoramento em 2004, e transferiu a sua base de investigação para Chiba em 2006. Descreve uma equipa com poucos recursos humanos e financeiros, que desenvolveu uma estratégia de análise própria para dar um contributo distintivo a uma colaboração muito maior.

Essa estratégia ajudou a identificar dois eventos de energia excecionalmente elevada. O historial detalhado do projeto de Chiba situa-os em agosto de 2011 e janeiro de 2012, com energias medidas de 1,04 ± 0,16 e 1,14 ± 0,17 petaeletrões-volt. Um petaeletrão-volt, ou PeV, equivale a um bilião de eletrões-volt, uma unidade usada para medir a energia das partículas.

A universidade apresentou os primeiros resultados numa conferência internacional em junho de 2012. Um artigo foi publicado na Physical Review Letters em julho de 2013, seguindo-se uma análise mais abrangente na Science, em dezembro de 2013. Esta sequência explica por que razão Chiba situa a descoberta em 2012, enquanto a NSF e o anúncio do Nobel do IceCube se referem às descobertas marcantes de 2013.

As fontes divergem quanto à data dos dois primeiros eventos: uma situa a sua deteção em 2013 e 2014, enquanto o relato detalhado de Chiba os situa em 2011 e 2012. O historial da universidade também apresenta valores globais de energia diferentes, mas as fichas individuais de cada evento indicam os valores e as incertezas acima.

Uma análise posterior acrescentou 26 eventos aos dois iniciais. Segundo o relato de Chiba, esperava-se que cerca de 11 dos 28 eventos fossem ruído de fundo; as energias, formas e direções de chegada dos restantes sustentavam uma origem cósmica com uma confiança estatística superior a quatro desvios-padrão.

Chiba compara o novo intervalo de energia com o dos neutrinos observados pelo Kamiokande em 1987, descrevendo um aumento de cerca de 100 milhões de vezes. A NSF refere, de forma mais abrangente, que os neutrinos detetados tinham uma energia mais de um milhão de vezes superior à dos observados anteriormente. Estas comparações usam pontos de referência diferentes e não devem ser consideradas medições equivalentes.

Seguir um neutrino até uma galáxia distante

A descoberta de neutrinos cósmicos demonstrou que os aceleradores naturais de partículas os produziam. Identificar uma fonte exigia mais um passo: cruzar a direção de chegada estimada do neutrino com observações feitas por outros instrumentos.

A 22 de setembro de 2017, hora do Japão, o IceCube detetou o evento conhecido como IC170922A. Satélites de raios gama e telescópios óticos acompanharam o alerta, associando o evento ao TXS 0506+056, um blazar ligado a um buraco negro supermassivo. Os resultados foram anunciados e publicados na Science em 2018.

Um blazar é um núcleo galáctico ativo cujo potente jato está orientado para a Terra. O relato original descreve o resultado de 2018 como indício de que o neutrino poderá ter vindo do blazar. Chiba considera-o a primeira identificação de uma fonte de neutrinos, enquanto a NSF descreve o resultado de 2018 como prova conclusiva da chegada de neutrinos provenientes de um buraco negro supermassivo noutra galáxia.

A associação dependeu do que os investigadores designam por astronomia multimensageira: estudar a mesma atividade cósmica através de diferentes sinais, neste caso neutrinos e várias formas de radiação eletromagnética. O neutrino forneceu informação que a luz, por si só, não podia revelar, enquanto as observações telescópicas ajudaram a identificar o objeto na sua direção.

Yasushi Fukazawa, professor da Universidade de Hiroshima especializado na observação do universo de alta energia, destacou o contributo de Chiba para o desenvolvimento e a montagem dos detetores, bem como para o sistema que distribui rapidamente informação sobre neutrinos a observatórios de todo o mundo. Esse sistema de alertas possibilitou o acompanhamento coordenado dos eventos.

Desde então, o IceCube comunicou indícios de emissão de neutrinos provenientes de outra galáxia, a NGC 1068, também designada Messier 77. Em 2023, anunciou observações de neutrinos da Via Láctea, produzindo a primeira imagem da nossa galáxia baseada em neutrinos, segundo a NSF. A evolução do projeto está a levar a experiência para além da deteção de partículas isoladas, rumo ao mapeamento das suas fontes.

Uma rara interação de antineutrinos põe a física de partículas à prova

Chiba também contribuiu para um resultado publicado na Nature em 2021: a primeira deteção da ressonância de Glashow através de um antineutrino eletrónico. Um antineutrino é a antipartícula de um neutrino.

A ressonância de Glashow é uma interação prevista na qual um antineutrino eletrónico colide com um eletrão e produz um bosão W, uma partícula envolvida na força fraca. A sua observação pôs à prova uma previsão do Modelo Padrão, a teoria que descreve as partículas elementares conhecidas e as suas interações.

Esta conquista confere ao IceCube dois objetivos interligados. O observatório pode investigar os ambientes cósmicos que geram partículas energéticas e usar essas partículas para testar a física fundamental a energias difíceis de estudar com aceleradores construídos pelo ser humano.

Takaaki Kajita, professor da Universidade de Tóquio que partilhou o Prémio Nobel da Física de 2015 pela descoberta das oscilações dos neutrinos, saudou a distinção de Halzen. Kajita descreveu o IceCube como um passo há muito esperado para compreender a origem dos raios cósmicos e a forma como são acelerados.

Mais de 600 novos detetores instalados em janeiro

A distinção surge após uma importante expansão do contributo de Chiba na área da engenharia. O anúncio da conclusão da atualização da universidade, publicado a 13 de fevereiro, indica que a instalação terminou a 21 de janeiro de 2026.

Uma equipa especial de cerca de 40 investigadores e engenheiros trabalhou durante aproximadamente dois meses e meio, a partir do final de novembro de 2025. Perfurou seis poços profundos e instalou mais de 600 novos módulos óticos no centro do detetor existente.

Cerca de 40% dos novos módulos são detetores D-Egg, concebidos e fabricados pelo Centro Internacional de Astrofísica de Hadrões de Chiba ao longo de mais de uma década. Grupos alemães e norte-americanos forneceram outro modelo de detetor, o mDOM.

Cada D-Egg inclui dois sensores de luz sensíveis, orientados em direções opostas no interior de um invólucro de vidro. A captação de luz de cima e de baixo ajuda a medir a sua direção e intensidade. O invólucro também cabe em furos mais estreitos. Ishihara, que liderou o fabrico, integrou a equipa de instalação na Antártida.

O calendário da construção era exigente. A perfuração com água quente demorava cerca de 60 horas a abrir e moldar um furo até aos 2600 metros. Depois, os técnicos tinham de baixar cerca de 110 detetores interligados em 30 horas, antes de o acesso voltar a congelar.

A universidade refere ainda que cinco detetores de demonstração fabricados em Chiba foram instalados para apoiar o desenvolvimento do IceCube-Gen2. Empresas japonesas, estudantes de pós-graduação e investigadores mais jovens participaram no desenvolvimento e na produção dos detetores, alargando o contributo do Japão para lá da análise de dados.

Uma área de deteção maior para neutrinos de menor energia

A atualização dispõe os sensores mais próximos entre si para detetar a luz mais ténue dos neutrinos de menor energia. O objetivo é abranger a gama dos gigaeletrões-volt, ou GeV, e melhorar as medições da forma como a luz se propaga no gelo circundante. Um conhecimento mais rigoroso do gelo deverá melhorar a reconstrução das direções de chegada dos neutrinos.

Chiba estima que o volume efetivo de deteção da atualização equivale a cerca de dois milhões de toneladas de água, face às aproximadamente 50 000 toneladas do Super-Kamiokande. Estes valores correspondem a uma proporção de cerca de 40 para um. O volume, por si só, não determina a sensibilidade nem a precisão, uma vez que os instrumentos têm disposições e métodos de observação diferentes.

A matriz mais densa alarga o alcance de uma instalação conhecida pela astronomia de energias muito elevadas a outro intervalo de energia das partículas. Chiba aponta os neutrinos libertados durante o colapso gravitacional de estrelas maciças e a formação de buracos negros como possíveis alvos de investigação, e não como observações já realizadas.

O calendário previsto tornou-se mais específico. No anúncio de fevereiro, Chiba previa que as observações começassem por volta do verão de 2026, depois de o gelo voltar a congelar e de serem concluídos os testes de comunicação, a calibração e o posicionamento preciso dos detetores.

Em outubro, o anúncio do Nobel do IceCube indicou, em vez disso, que os primeiros dados científicos da atualização são esperados mais tarde, em 2026. Não confirma que as observações científicas em pleno tenham começado durante o verão.

O IceCube-Gen2 proposto teria uma matriz ótica com um volume oito vezes superior ao do observatório atual e acrescentaria deteção por rádio para neutrinos de energia ainda mais elevada. Continua a ser uma proposta: os anúncios não estabelecem uma data de início ou de conclusão da construção.

Os marcos que conduziram ao prémio

A história do IceCube distingue várias etapas que, por vezes, são condensadas numa única data de descoberta: a proposta do instrumento, a sua construção, o registo de eventos, a apresentação de análises e a publicação dos resultados.

• 1988: Halzen apresenta pela primeira vez a sua ideia de detetar neutrinos no Polo Sul.
• 2002: É formada a colaboração IceCube, com a adesão de Chiba como única instituição japonesa.
• 2004–2011: Começa a construção e o observatório completo entra em funcionamento.
• 2011–2013: São registados os primeiros eventos importantes, apresentados em junho de 2012 e descritos em artigos científicos em 2013.
• 2017–2018: O evento IC170922A leva à associação com o blazar TXS 0506+056 e à publicação dos resultados.
• 2021: É publicada a primeira deteção da ressonância de Glashow.
• 2023: O IceCube anuncia observações de neutrinos da Via Láctea.
• 21 de janeiro de 2026: Fica concluída a instalação da atualização do IceCube.
• 6 de outubro de 2026: Halzen é anunciado como laureado com o Nobel da Física.

Segundo Yoshida, a colaboração passou de cinco países na sua formação para 14 atualmente. Em 2020, a página do projeto de Chiba registava cerca de 300 investigadores de 53 instituições em 12 países, face aos cerca de 450 investigadores de 58 instituições atuais.

Halzen, investigador principal do IceCube, colocou esse esforço coletivo no centro da sua reação ao prémio.

É um grande alívio poder finalmente ver reconhecido o mérito desta grande colaboração.

Para Chiba, o próximo marco concreto é a divulgação prevista dos primeiros dados científicos da atualização, mais tarde em 2026. Os seus investigadores preparam-se também para o observatório de maiores dimensões proposto, enquanto prosseguem a busca pelos aceleradores cósmicos que produzem as partículas detetadas pelo IceCube.

Pontos principais

• Francis Halzen recebe o Prémio Nobel da Física de 2026 pelo IceCube e pelas descobertas de neutrinos cósmicos.
• A Universidade de Chiba participa desde 2002 e continua a ser a única instituição japonesa da colaboração.
• Chiba ajudou a identificar os primeiros sinais cósmicos, uma fonte blazar e o primeiro evento de ressonância de Glashow.
• O observatório original utiliza 5160 módulos óticos distribuídos por um quilómetro cúbico de gelo antártico.
• Cerca de 40% dos mais de 600 novos detetores instalados na atualização foram fabricados por Chiba.
• O calendário mais recente prevê os primeiros dados científicos da atualização para mais tarde em 2026; o IceCube-Gen2 continua a ser uma proposta.