O que os neutrinos revelam?

Por Euclécio Josias Rodrigues

out 17, 2015

Créditos da imagem: Kamioka Observatory, ICRR, The University of Tokyo

Por Lawrence M. Krauss no The New Yorker
Traduzido por Diógenes Henrique e Euclécio Josias

Esta semana, o Prêmio Nobel de Física 2015 foi atribuído conjuntamente a Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald pela descoberta de que as partículas elementares chamadas neutrinos têm massa. Este é, notavelmente, o quarto Prêmio Nobel associado à medição experimental de neutrinos. Alguém pode ser perguntar porque devemos nos preocupar tanto com estas partículas fantasmagóricas, que quase não interagem com a matéria normal.

Apesar da existência de neutrinos ter sido prevista em 1930 por Wolfgang Pauli, ela não foi observada experimentalmente até 1956. Isso porque neutrinos passam quase sempre através da matéria sem parar. A cada segundo de cada dia, mais de 6 trilhões de neutrinos fluem através de seu corpo, vindo diretamente do núcleo ardente do Sol, mas a maioria deles passam diretamente através de nossos corpos e da Terra, sem interagir com as partículas a partir da qual esses objetos são feitos. Na verdade, em média, esses neutrinos seriam capazes de atravessar mais de mil anos-luz de chumbo antes de interagir uma vez sequer com algum.

O próprio fato de que podemos detectar essas partículas efêmeras é um testamento ao engenho humano. As regras da mecânica quântica são probabilísticas, sabemos que, de todos os neutrinos que vão passar através da Terra, apenas alguns vão interagir com ela. Um detector suficientemente grande pode observar tal interação. O primeiro detector de neutrinos do Sol foi construído na década de 60, no fundo de uma mina em Dakota do Sul. Uma área da mina estava cheia de cerca de 378 mil litros de solvente. Por dia, em média, um neutrino iria interagir com um átomo de cloro no líquido, transformando-o em um átomo de argônio. De uma forma incrível, o físico no comando do detector, Raymond Davis Jr., descobriu como detectar esses poucos átomos de argônio, e, quatro décadas mais tarde, em 2002, ele foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física por esta proeza técnica incrível.

Pelo fato dos neutrinos interagirem muito fracamente, eles podem viajar distâncias imensas. Eles nos fornecem uma janela para locais que nunca seríamos capazes de ver. Os neutrinos que Davis Jr. detectou foram emitidos por reações nucleares no centro do Sol, escaparam deste lugar incrivelmente denso e quente apenas porque raramente interagem com outra matéria. Somos capazes de detectar neutrinos emergentes do centro de uma estrela explodindo a mais de 100 mil anos-luz de distância.

Os neutrinos também nos permite observar o universo em suas menores escalas – muito menor do que aquelas que podem ser sondadas mesmo com o LHC (Large Hadron Collider), em Genebra, que, há três anos, descobriu o bóson de Higgs. E é por esta razão que o Comitê do Nobel decidiu atribuir o Prêmio Nobel deste ano para mais uma descoberta do neutrino.

Quando Ray Davis observou neutrinos solares, ele só detectou cerca de um terço dos muitos ele esperava encontrar. A maioria dos físicos pensava que isso era devido ao pouco conhecimento de astrofísica do interior do Sol: possivelmente os modelos do interior solar haviam superestimado o número de neutrinos produzidos lá. No entanto, ao longo dos anos, assim como os modelos solares se tornaram melhores, o déficit de neutrinos persistiu. Os físicos começaram a considerar a possibilidade inversa: que o problema tinha a ver com a nossa compreensão dos neutrinos. De acordo com o modelo predominante de Física de Partículas – o modelo padrão – neutrinos não possuem massa. Alguns físicos argumentaram que, talvez, alguns neutrinos tinham, de fato, massa infinitesimal, e que essa massa, e as suas consequências, representam os neutrinos desaparecidos em nossos detectores.

Segundo esta teoria — a teoria de oscilações de neutrinos — existem três tipos diferentes de neutrinos na natureza, e, se o neutrino possui massa pequena, ela pode converter de um tipo para outro, enquanto viaja através do espaço. Os três tipos de neutrinos são neutrino do elétron, neutrino do múon e neutrino do tau; cada tipo de neutrino pode converter em sua correspondente partícula carregada (elétrons, múons ou léptons tau) quando interage com a matéria comum. A “oscilação” vem graças à mecânica quântica. O tipo do neutrino, qualquer que seja, não é fixo. Em vez disso, ele muda conforme o tempo passa. Um neutrino que, por exemplo, começa como um neutrino do elétron pode evoluir para um neutrino do múon, e, em seguida, voltar novamente. Desta forma, um neutrino do elétron produzido no núcleo do Sol pode “oscilar” periodicamente em um neutrino do múon, e vice-versa, em sua viagem do Sol à Terra. Uma vez que o detector de Davis só poderia detectar um tipo de neutrino — o neutrino do elétron, que poderia causar uma transmutação entre o cloro e argônio — é possível que os neutrinos desaparecidos, que não tinham sido detectados, haviam se convertido em outros tipos de neutrinos em sua longa viagem. Na década de 80, meu colega Sheldon Glashow e eu [Lawrence M. Krauss] cunhamos a frase “tão somente oscilações de neutrinos” para descrever este processo. (Como se vê, agora sabemos que os neutrinos oscilam dentro do Sol, em vez de no caminho para a Terra.)

A única maneira de ter certeza era construir um detector que trabalha com os três tipos de neutrinos. Começando na década de 90, Arthur McDonald, da Queen’s University, em Ontário, liderou uma equipe que construiu um, em uma mina, em Sudbury, Ontario. Ele continha toneladas de água pesada (óxido de deutério), fornecidas como empréstimo do governo canadense. A água pesada é uma forma de água rara que ocorre naturalmente na qual o hidrogênio, contendo um único próton, é substituído por seu primo mais pesado, o deutério, o qual contém um próton e um nêutron. O governo canadense estocou água pesada como um líquido de arrefecimento para uso em seus reatores nucleares. Todos os três tipos de neutrinos poderiam desmontar o deutério na água pesada, quebrando-o em pedaços de um próton e um nêutron, e os nêutrons poderiam, então, ser contados. O detector observou cerca de três vezes mais que o número de neutrinos encontrados por Davis — em outras palavras, eles descobriram a quantidade prevista pelos melhores modelos solares. Isto sugeriu que neutrinos do elétron podem, de fato, oscilar em outros tipos de neutrinos.

Na mesma época, outro experimento notável se desenrolava, liderado por Takaaki Kajita, da Universidade de Tóquio. Centrado em um detector criado dentro de uma mina no Japão, projetado para detectar neutrinos provenientes não apenas do Sol, mas a partir da atmosfera superior. Como os prótons de raios cósmicos colidem com a atmosfera, eles produzem chuvas de outras partículas — incluindo neutrinos do múon. Na mina, esses neutrinos do múon são desviados para fora dos núcleos de hidrogênio na água, convertendo em múons. O experimento Kajita teve uma guinada inteligente: seu detector poderia observar neutrinos vindos em duas direções. Alguns vinham de cima para baixo, diretamente da atmosfera, e outros vinham de baixo para cima, tendo passado pela Terra. A frequência para os dois eventos eram diferentes, isso mostrava aos pesquisadores que os neutrinos que tinham viajado distâncias diferentes eram os que chegaram ao detector como diferentes tipos de neutrinos. Eles estavam em pontos diferentes em seus ciclos de oscilação.

Estas são coisas exóticas e incríveis, mas por que as oscilações neutrino e a massa dos neutrinos são dignas de interesse popular ou, até mesmo, científico? A razão é simples. No modelo padrão da física de partículas, desenvolvido ao longo dos últimos cinquenta anos do século XX — modelo que descreveu corretamente todas as outras observações que tem sido feitas nos aceleradores de partículas e em outros experimentos, e que representa, talvez, a maior aventura intelectual que a ciência já vivenciou — neutrinos tem que ser sem massa. A descoberta de um neutrino massivo, portanto, nos diz que algo está faltando. O modelo padrão pode não estar completo. Existe uma nova física restante a ser descoberta, talvez no Grande Colisor de Hádrons, ou por meio de outra máquina que ainda está para ser construída.

O físico Richard Feynman sugeriu uma vez que a natureza é como uma cebola infinita. A cada nova experiência, nós descascamos outra camada da realidade; como a cebola é infinita, novas camadas continuarão a serem descobertas para sempre. Outra possibilidade é que nós vamos chegar ao núcleo. Talvez física vai acabar um dia, com a descoberta de uma “teoria de tudo”, que descreve a natureza em todas as escalas, não importa quão grande ou pequena. Nós não sabemos em qual futuro vamos viver. Mas a observação da massa dos neutrinos nos diz que a aventura de descoberta, na qual estamos atualmente envolvidos, não vai acabar aqui. Ainda há mistérios fundamentais a serem resolvidos. E são os mistérios da vida que tornam a existência tão emocionante.

Publicado em 17/10/2015, em Ciência e tecnologia. Adicione o link aos favoritos. Deixe um comentário.

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