Neutrinos, estamos à sua procura! O detector de Super-Kamiokande do Japão. Observatório Kamioka, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Por John Beacom, Ohio State University

Neutrinos tenham paciência. Valem a pena, e o anúncio do Prémio Nobel da Física de 2015 reconhece que, na sequência de prémios relacionados em 1988, 1995 e 2002. Ironicamente, estas partículas quase indetectáveis podem revelar coisas que não podem ser vistas de outra forma.

P>Pode começar por lhe dizer que os neutrinos são partículas elementares, mas isso soa condescendente. Não são chamadas elementares porque são fáceis de compreender – não são – mas porque são aparentemente pontuais em tamanho, e não podemos dividi-las em constituintes mais pequenos. Não existe meio neutrino.

As coisas mais pequenas do universo

Atoms, apesar do nome grego (“não podem ser cortadas”), não são partículas elementares, o que significa que podem ser desmontadas. Um átomo é uma nuvem difusa de electrões que rodeia um núcleo minúsculo e denso composto por prótons e neutrões, que podem ser quebrados em quarks.

Colisão de partículas, que aceleram as partículas até se aproximarem da velocidade da luz e as esmagam juntas, ajudam-nos a descobrir novas partículas elementares. Primeiro, devido a E = mc2, a energia na colisão pode ser convertida na massa de partículas. Segundo, quanto maior for a energia do feixe do acelerador, mais finamente podemos resolver estruturas compostas, tal como podemos ver coisas mais pequenas com raios X do que com luz visível.

Não fomos capazes de desmontar electrões ou quarks. Estas são partículas elementares, formando os constituintes básicos da matéria comum: os tijolos de Lego do universo. Curiosamente, há muitos primos pesados de partículas familiares que existem apenas para fracções de segundo, e que por isso não fazem parte da matéria vulgar. Por exemplo, para os electrões estes são o muon e tauon.

Particulas elementares, das quais os neutrinos são uma espécie. Crédito de imagem: MissMJ

O que é um neutrino?

Como é que esta partícula elementar – o neutrino – é diferente de todas as outras partículas elementares? É única na medida em que é quase sem massa e quase não interage. Essas características são diferentes, embora muitas vezes confusas (não aceite conselhos sobre neutrinos de um poeta, mesmo que seja John Updike).

É um mistério porque é que os neutrinos são quase, mas não exactamente, sem massa. No entanto, sabemos porque é que eles quase não interagem: Eles não sentem as forças electromagnéticas ou fortes que ligam os núcleos e os átomos, apenas a força fraca (e a gravidade, mas mal, porque as suas massas são pequenas).

Embora os neutrinos não sejam constituintes da matéria vulgar, estão em todo o lado à nossa volta – um trilião do sol passa pelos seus olhos a cada segundo. Há centenas por cada centímetro cúbico que sobram do Big Bang. Porque raramente interagem, é quase impossível observá-los, e certamente não os sente.

p>Neutrinos têm outros aspectos estranhos. Vêm em três tipos, chamados sabores – neutrinos de electrão, múon e tauon, correspondentes às três partículas carregadas com que se emparelham – e todos eles parecem ser estáveis, ao contrário dos primos pesados do electrão.

Porque os três sabores dos neutrinos são quase idênticos, existe a possibilidade teórica de se poderem transformar um no outro, o que é outro aspecto invulgar destas partículas, um aspecto que pode revelar nova física. Esta transformação requer três coisas: que as massas de neutrinos são não zero, são diferentes para tipos diferentes, e que os neutrinos de sabor definido são combinações quânticas de neutrinos de massa definida (isto chama-se “mistura de neutrinos”).

Durante décadas, esperava-se geralmente que nenhuma destas condições fosse satisfeita. Não por físicos de neutrinos, no entanto – nós tínhamos esperança.

Fazendo astronomia com partículas invisíveis

No final, a natureza providenciada, e os experimentalistas descobriram, apoiados por cálculos dos teóricos. Primeiro vieram décadas de pesquisa por muitas experiências, com dicas importantes para encorajar a perseguição.

Então, em 1998, a experiência Super-Kamiokande no Japão anunciou fortes indícios de que os neutrinos de múon produzidos na atmosfera da Terra mudam para outro tipo (agora pensados para serem neutrinos de tauon). A prova foi ver isto acontecer para os neutrinos que vieram de “baixo”, tendo viajado uma longa distância através da Terra, mas não para os que vieram de “cima”, tendo viajado apenas a curta distância através da atmosfera. Como o fluxo de neutrinos é (quase) o mesmo em locais diferentes da Terra, isto permitiu uma medição “antes” e “depois”.

p>Vista do fundo do Observatório Sudbury Neutrino vaso acrílico e matriz de PMT. crédito da imagem: Laboratório Nacional Ernest Orlando Lawrence Berkeley

Em 2001 e 2002, o Observatório Sudbury Neutrino no Canadá anunciou fortes evidências de que os neutrinos de electrões produzidos no núcleo do sol também mudam de sabor. Desta vez, a prova foi ver que os neutrinos de sabor a electrões que desapareceram depois reapareceram como outros tipos (agora pensado ser uma mistura de neutrinos de múon e tauon).

Cada uma dessas experiências viu cerca de metade do número de neutrinos que se esperava das previsões teóricas. E, talvez adequadamente, Takaaki Kajita e Arthur McDonald receberam cada um meio Prémio Nobel.

Em ambos os casos, foram observados efeitos quântico-mecânicos, que normalmente funcionam apenas a distâncias microscópicas, em escalas de distância terrestre e astronómica.

Como a primeira página do The New York Times dizia em 1998, “Massa Encontrada em Partícula Elusiva; o Universo Pode Nunca Ser o Mesmo”. Estas claras indicações de mudança de sabor do neutrino, desde que confirmadas e medidas em detalhe em experiências de laboratório, mostram que os neutrinos têm massa e que estas massas são diferentes para diferentes tipos de neutrino. Curiosamente, ainda não sabemos quais são os valores das massas, embora outras experiências mostrem que elas devem ser cerca de um milhão de vezes menores do que a massa de um electrão, e talvez menores.

É esta a manchete. O resto da história é que a mistura entre diferentes sabores de neutrino é, de facto, bastante grande. Pode-se pensar que são más notícias quando as previsões falham – por exemplo, que nunca seríamos capazes de observar a mudança do sabor do neutrino – mas este tipo de fracasso é bom, porque aprendemos algo novo.

Sociedade internacional de caçadores de neutrinos

Arthur B. McDonald, professor Emérito da Queen’s University no Canadá, fala aos repórteres da Queen’s University em Kingston, Ontário, 6 de Outubro de 2015. McDonald e Takaaki Kajita do Japão foram co-vencedores do Prémio Nobel da Física de 2015 pela sua descoberta de que os neutrinos, rotulados como as partículas mais esquivas da natureza, têm massa, disse o premiado organismo na terça-feira. REUTERS/Lars Hagberg – RTS3AOV

Takaaki Kajita numa conferência de imprensa após o anúncio de que ganhou o Prémio Nobel da Física. Crédito fotográfico: Kato/Reuters

Estou encantado por ver este reconhecimento para os meus amigos Taka e Art. Desejo que várias pessoas-chave, tanto experimentalistas como teóricos, que contribuíram de forma essencial, tenham sido igualmente reconhecidas. Foram precisos muitos anos para construir e operar essas experiências, que eles próprios construíram com base num trabalho lento, difícil e em grande parte irrecuperável, que remonta a décadas atrás, exigindo o esforço de centenas de pessoas. Isto inclui uma grande participação dos EUA tanto no Super-Kamiokande como no Observatório Sudbury Neutrino. Portanto, parabéns aos neutrinos, ao Taka e à Arte, e aos muitos outros que tornaram isto possível!

Quando comecei a trabalhar em neutrinos, há mais de 20 anos, muitas pessoas, incluindo cientistas proeminentes, disseram-me que estava a desperdiçar o meu tempo. Mais tarde, outros instaram-me a trabalhar noutra coisa, porque “as pessoas que trabalharam em neutrinos não conseguem emprego”. E, mesmo agora, muitos físicos e astrónomos pensam que estamos a perseguir algo quase imaginário.

Mas nós não estamos. Os neutrinos são reais. São uma parte essencial da física, lançando luz sobre a origem da massa, a assimetria partículo-antipartícula do universo, e talvez a existência de novas forças que são demasiado débeis para serem testadas com outras partículas. E são uma parte essencial da astronomia, revelando os aceleradores de energia mais elevados do Universo, o que está dentro das estrelas mais densas, e talvez objectos astrofísicos novos e invisíveis.

O autor descreve como os factos que aprendemos sobre o universo moldam o nosso sentido de significado.

P>Partículas minúsculas, grandes mistérios

Por que se deve importar, para além de partilhar a nossa curiosidade em revelar algumas das coisas mais estranhas do universo?

A força fraca que os neutrinos sentem é o que muda os protões para os neutrões, alimentando reacções de fusão nuclear no sol e outras estrelas, e criando os elementos que tornam possíveis os planetas e a própria vida.

Neutrinos são o único componente da matéria escura que compreendemos, e descobrir o resto ajudar-nos-á a compreender a estrutura e evolução do universo. Se as massas de neutrinos tivessem sido muito maiores, o universo teria um aspecto muito diferente, e talvez não estivéssemos aqui para ver.

Finalmente, se formos puramente práticos, a física e a astrofísica dos neutrinos é uma das tarefas mais difíceis, exigindo-nos que inventemos detectores e técnicas incrivelmente sensíveis. Este conhecimento tem outras utilizações; por exemplo, utilizando um detector de neutrinos, poderíamos dizer se um suposto reactor nuclear está ligado, qual é o seu nível de potência e mesmo se está a produzir plutónio. Isto pode ter algumas aplicações no mundo real.

As últimas décadas em física e astronomia de neutrinos têm sido óptimas, mas algumas das coisas mais excitantes estão apenas a começar a acontecer. O Observatório IceCube Neutrino no Pólo Sul está agora a ver neutrinos de alta energia vindos de fora da nossa galáxia. Super-Kamiokande anunciou um plano, baseado numa proposta minha e de Mark Vagins, para melhorar a sua sensibilidade aos neutrinos antineutrinos em comparação com os neutrinos. E a comunidade internacional espera construir uma nova e importante instalação de neutrinos, na qual um poderoso feixe de neutrinos será enviado de Fermilab no Illinois para um detector no subsolo profundo da mina Homestake no Dakota do Sul. Quem sabe o que vamos encontrar?

E é por isso que tenho estado realmente à espera.

John Beacom, Professor de Física, Professor de Astronomia, e Director do Centro de Cosmologia e Física de Astropartículas (CCAPP), Universidade Estatal de Ohio

Este artigo foi originalmente publicado em The Conversation. Leia o artigo original.

Membros da comunidade EarthSky – incluindo cientistas, bem como os escritores da ciência e da natureza de todo o mundo – pesam no que é importante para eles. Foto de Robert Spurlock.