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Estranhos neutrinos solares detectados pela primeira vez

Detector subterrâneo encontrou partículas produzidas pela fusão de dois prótons no núcleo do Sol

 

Colaboração Borexino
O detector Borexino usa uma esfera cheia de cintilador líquido que emite luz quando energizado. Esse recipiente fica cercado por camadas protetoras e por aproximadamente dois mil tubos fotomultiplicadores para detectar os brilhos de luz.

 

 
Por Clara Moskowitz

Nas profundezas do Sol, pares de prótons se fundem para formar átomos mais pesados, liberando misteriosas partículas chamadas de “neutrinos” no processo. Acredita-se que essas reações sejam o primeiro passo na cadeia responsável por 99% da energia que o Sol irradia, mas cientistas nunca haviam encontrados provas até agora. Pela primeira vez, físicos capturaram os elusivos neutrinos produzidos pelas reações básicas de fusão de prótons do Sol.

A Terra deveria estar repleta desses neutrinos – cálculos sugerem que aproximadamente 420 bilhões deles atinjam cada polegada quadrada da superfície de nosso planeta por segundo – mas eles são incrivelmente difíceis de encontrar.

Neutrinos quase nunca interagem com partículas regulares e normalmente passam direto pelos espaços vazios entre os átomos de nossos corpos e de toda matéria convencional. Mas ocasionalmente eles colidem com um átomo, que solta um elétron, criando um rápido flash de luz visível apenas a detectores extremamente sensíveis. Foi assim que o experimento Borexino do Laboratório Nacional Gran Sasso, na Itália, os encontrou.

A detecção dos chamados “neutrinos pp” – neutrinos criados pela fusão de dois prótons solares – era uma tarefa quase impossível. “A existência desses neutrinos não era questionada. O que queríamos saber era se algum grupo conseguiria construir um detector tão incrivelmente cristalino que permitisse a visualização desses neutrinos de baixa energia em tempo real, evento por evento”, explica Wick Haxton, físico da University of California, Berkeley, que não se envolveu no experimento. “O Borexino conseguiu fazer isso depois de uma longa campanha para isolar e compreender eventos de fundo”.  

O Borexino usa um tanque cheio de cintilador líquido – um material projetado para emitir luz quando recebe energia – contido em uma grande esfera cercada por mil toneladas de água, protegida por camadas e mais camadas de cobertura e enterrada 1,4 quilômetros abaixo do solo.

Essas defesas foram projetadas para impedir a passagem de tudo, menos neutrinos, assim excluindo todos outros tipos de radiação que pudessem imitar o sinal. “Infelizmente isso não é o bastante para neutrinos pp”, observa Andrea Pocar da University of Massachusetts Amherst que também é membro do Borexino e principal autor de um artigo relatando os resultados em 28 de agosto, na Nature (Scientific American é parte do Nature Publishing Group).

Parte da contaminação de fundo, no entanto, não pode ser bloqueada porque tem origem no próprio experimento. “O maior ruído vem do carbono 14 do cintilador”, explica Pocar.

O carbono 14 é um isótopo radioativo comum na Terra. Seu decaimento previsível permite que arqueólogos datem espécimes ancestrais. Quando decai, porém, o carbono 14 libera um elétron e emite luz muito semelhante à de neutrino pp. Os físicos tiveram que observar uma estreita faixa de energia em que podem distinguir neutrinos pp de decaimentos do carbono 14.

Mesmo assim, de vez em quando átomos de carbono 14 no cintilador decaem simultaneamente e a energia que eles liberam imita exatamente o brilho do neutrino pp. “Tivemos que compreender esses eventos com muita precisão para subtraí-los”, explica Pocar.

A equipe inventou uma nova maneira de contar os eventos, e coletou dados durante vários anos antes de ter certeza que haviam isolado um sinal verdadeiro. “Essa é uma medida muito difícil de realizar”, elogia Mark Chen da Queen’s University em Ontario, no Canadá, que não se envolveu no projeto. “O esforço que o Borexino fez para purificar o cintilador líquido em seu detector valeu a pena”.

A descoberta de neutrinos pp solares é uma confirmação que tranquiliza físicos em relação aos principais modelos teóricos que descrevem o Sol. Experimentos anteriores encontraram neutrinos solares de alta energia criados por estágios mais avançados do processo de fusão envolvendo o decaimento de átomos de boro. Mas os neutrinos pp de baixa energia foram mais difíceis de encontrar; sua detecção completa a ideia sobre a cadeia de fusão do Sol, além de acelerar os planos para a próxima geração de experimentos terrestres com neutrinos.

Uma estranha peculiaridade dessas partículas elementares é que elas existem em três sabores – chamados de elétron, múon e tau – e têm a bizarra capacidade de trocar de sabor, ou “oscilar”. Devido às complexas particularidades nas reações de fusão de prótons, todos os neutrinos do Sol nascem como neutrinos do elétron. No momento em que atingem a Terra, porém, parte deles já se transformou em neutrinos múon e tau.

Cada sabor de neutrino tem uma massa levemente diferente, ainda que físicos não saibam exatamente quais são essas massas. Determinar as massas e como elas ficam ordenadas entre os três sabores é um dos objetivos mais importantes dos experimentos com neutrinos da atualidade. A diferença de massa entre sabores é o principal fator que afeta a oscilação dos neutrinos.

Se neutrinos estão viajando pela matéria, suas interações com ela também alteram suas taxas de oscilação. Tudo indica que as oscilações de neutrinos de  mais alta energia sofrem interferência da matéria, o que propicia maior chance de oscilação – e portanto menos deles sobreviverão como neutrinos do elétron no momento em que chegam à Terra.

O Observatório Sudbury de Neutrinos, em Ontario, e o experimento japonês Super-Kamiokande mediram esse fenômeno décadas atrás, quando detectaram os neutrinos solares de energia mais alta advindos do decaimento do boro. Agora as descobertas do Borexino confirmam o efeito: mais neutrinos de baixa energia vistos pelo Borexino permaneceram com o sabor elétron que os neutrinos de energia mais altas medidos pelos experimentos anteriores. “Isso é importante porque efeitos sobre a matéria só foram vistos no Sol até agora, mas queremos usar esse efeito na Terra em futuros ‘experimentos de linha longa com neutrinos’ para determinar completamente o padrão de massas de neutrino”, declara Haxton.

Esses experimentos, como o Long-Baseline Neutrino Experiment (LBNE) do Fermilab que deve começar em 2022, investigarão como ocorre a oscilação de neutrinos viajando pela matéria. Em vez de usar neutrinos solares, esses projetos criarão poderosos feixes de neutrinos em aceleradores de partículas e refinarão suas rotas para realizar medidas precisas.

O experimento do Fermilab gerará um fluxo de neutrinos de seu laboratório base, perto de Chicago, até a Instação de Pesquisa Subterrânea de Sanford na Dakota do Sul. Enquanto os neutrinos atravessam cerca de 1.285 quilômetros de manto terrestre em sua jornada (a chamada “linha longa”), muitos oscilarão. Ao estudar como a matéria do manto intrage com os diferentes sabores para afetar suas taxas de oscilação, os pesquisadores esperam revelar quais sabores de neutrinos são mais leves, e quais são mais pesados.

Resolver o mistério da massa dos neutrinos, por sua vez, poderia apontar para uma teoria da física de partículas mais profunda que o Modelo Padrão atual, que não leva em conta as massas dos neutrinos. A última façanha do Borexino (medir neutrinos com precisão) sugere que os experimentos finalmente estão se tornando poderosos o suficiente para extrair esses segredos das elusivas partículas.