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Experimento com neutrinos mostra prótons e nêutrons em pares

Os primeiros resultados físicos do MINERvA lançam luz sobre o sutil comportamento nuclear

FNAL
CAÇADORA DE NEUTRINOS: Deborah Harris, co-porta-voz do MINERvA, diante do detector. 
Por John Matson

 Neutrinos são conhecidos por serem antissociais, quase sempre passando por átomos de matéria sem nem um “como vai você?”. Mas uma nova pesquisa indica que, na rara ocasião em que um neutrino e um núcleo atômico fazem contato, a interação é surpreendemente intensa.

Lançando um feixe de neutrinos em um alvo plástico, pesquisadores do experimento MINERvA, do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi em Batavia, no estado de Illinois, descobriram que quando um neutrino colide com um átomo ele frequentemente libera não apenas um próton ou nêutron, mas dois. Algumas das partículas dentro dos núcleos atômicos, ao que parece, estão se juntando em vez de se moverem independentemente, apenas para se soltarem em pares quando um neutrino as atinge. Os resultados terão implicações para medições precisas de neutrinos, que frequentemente dependem de reconstruir cuidadosamente a física de colisões raras entre neutrinos e átomos.

O MINERvA, um aparato do tamanho de um trailer, fica localizado no caminho do feixe de neutrinos do Fermilab, quase todos os neutrinos passam tranquilamente através do detector e atingem outro experimento de neutrinos, chamado MINOS.

O detector do MINERvA contém uma variedade de materiais diferentes, incluindo camadas de chumbo e ferro cobrindo o material plástico de hidrocarboneto do detector interno. “Ele é borrachudo do lado de dentro e crocante do lado de fora”, brinca Deborah Harris, física do Fermilab e co-porta-voz da colaboração MINERvA. “Um dos objetivos é medir a interação de neutrinos com vários núcleos diferentes”.

Agora o experimento produziu seus primeiros resultados físicos, uma análise de interações de neutrinos com núcleos de carbono na porção plástica do detector.

Em dois novos estudos que aparecerão no periódico Physical Review Letters, a colaboração MINERvA relata vários meses de operação experimental em 2010 e 2011.

As análises se concentram no chamado ‘espalhamento quase-elástico’, que no caso mais simples envolve um neutrino colidindo com um nêutron de um dos átomos de carbono.

A interação dessas duas partículas eletricamente neutras produz duas partículas com cargas opostas, um próton com carga positiva e um múon com carga negativa, que se espalham para fora como bolas de bilhar. “Ele ejeta um próton, e deixa o resto do núcleo basicamente intocado”, observa Harris. “Em algumas frações de tempo, parece que mais de um próton está saindo de lá”.

A aparição de um próton extra junto de um nêutron-transformado-em-próton indica que neutrinos tendem a atingir pares de partículas. “Em 25% das vezes, com alguns erros, prótons ficam viajando por aí com nêutrons”, explica Harris.

Os físicos observaram uma tendência semelhante em reações análogas envolvendo antineutrinos – a contraparte de antimatéria dessas partículas. “Digamos que o núcleo de carbono realmente tenha seis pares de prótons e nêutrons” em vez de uma dúzia de partículas independentes, propõe Harris, “então sempre que você atingir um próton, você também estará atingindo um nêutron. Essa é uma espécie de imagem extrema do que pode estar acontecendo no núcleo”.

Neutrinos e antineutrinos vêm em três ‘sabores’ – elétron, múon e tau – cada um deles é associado com uma partícula elementar carregada com o mesmo nome.

Mas enquanto um neutrino viaja pelo espaço quase à velocidade da luz, ele oscila entre os três sabores possíveis, um fenômeno que vários experimentos ao redor do mundo estão investigando atualmente.

A tendência direcionada a pares nucleares documentada no MINERvA poderia informar a análise desses experimentos de oscilação de neutrinos. “Isso não está explicado nos tipos padrão de simulações de interações de neutrinos em todos esses experimentos de oscilação”, observa Harris. “Para prever qual era a energia do neutrino ao chegar, você tem que fazer algumas suposições sobre o que estava acontecendo no núcleo [naquele momento]. 

O físico John Arrington, do Laboratório Nacional Argonne, não envolvido na nova pesquisa, adiciona: “Você realmente tem que entender esses mecanismos de reação para saber o que está acontecendo” em experimentos onde neutrinos se espalham a partir do núcleo atômico. “Isso simplesmente não era possível com os tipos de experimentos de espalhamento de neutrinos que foram realizados no passado”.