Astronomia e Física 20 de abril de 2022, 15:57 20/04/2022

A busca pelos “fantasmagóricos” neutrinos, mensageiros minúsculos do Universo

Autores

Jovens revisores

Resumo

Os neutrinos são partículas minúsculas, subatômicas. Bilhões delas nos atravessam a cada segundo, vindas principalmente do Sol. Ao contrário da luz do Sol, que podemos ver facilmente, os neutrinos são muitíssimo difíceis de detectar. Para “vê-los”, precisamos construir detectores realmente grandes e bloquear as interferências de todas as outras partículas. Os cientistas fazem isso montando detectores de neutrinos bem no fundo da terra. Neste artigo, você aprenderá como esses detectores gigantes podem ajudar a decodificar as “mensagens” que essas partículas fantasmas enviam a respeito da constituição e história das estrelas, das galáxias e do universo.

Introdução

Os neutrinos são partículas subatômicas minúsculas que quase se parecem com fantasmas. Trilhões deles passam através de nós a cada segundo, sem deixar traços! A maioria provém de reações nucleares ocorridas no Sol. Mas, ao contrário da luz solar, que vemos e sentimos no rosto, essas partículas fantasmas em geral não interagem com materiais comuns. Para “ver” os neutrinos, os cientistas constroem detectores enormes e sensíveis, muitas vezes subterrâneos. A matéria que forma a Terra ajuda a blindar os sinais vindos de outras partículas, para que os sinais das fracas interações com os neutrinos possam ser detectados. Os detectores gigantes estão ajudando os cientistas a captar as raras “mensagens” transmitidas por essas partículas. Ao decodificar as mensagens, os cientistas aprendem sobre a conexão entre os neutrinos, de um lado, e a constituição e a história das estrelas, das galáxias e do universo, de outro.

O que é um neutrino?

Os neutrinos são partículas minúsculas, sem carga elétrica. Eles são  emitidos quando núcleos atômicos instáveis decaem. Esse decaimento radioativo acontece em volta de nós. Os minerais das rochas e mesmo o potássio das bananas decaem para produzir neutrinos (ver Figura 1). Mas das reações nucleares ocorridas no Sol é que vem uma quantidade de neutrinos bem maior do que  qualquer outra fonte.

Figura 1. Decaimento do núcleo radioativo, potássio-40  em cálcio-40+  um elétron (e) + um neutrino (letra grega ν, pronunciada “nu”). O átomo de potássio-40, com 19 prótons (p) e 21 nêutrons (n) no núcleo, pode ser encontrado nas bananas. Entender o comportamento dos neutrinos pode ajudar a revelar importantes segredos do universo. Crédito: Tiffany Bowman, Brookhaven National Laboratory.

Não importa a fonte, os neutrinos são completamente inofensivos porque não se juntam nem interagem com praticamente nada. Fluem do Sol e do espaço exterior, atravessando a matéria comum – mesmo o nosso corpo e a própria Terra – sem que nos demos conta disso. Assim, embora pareçam fantasmas, os neutrinos são reais.  Como os neutrinos transportam informação sobre o que acontece no interior das estrelas e galáxias, os cientistas querem saber mais a seu respeito. Os neutrinos podem até nos ajudar a entender o que aconteceu quando nosso universo se formou, há  14 bilhões de anos!

Como apanhar uma partícula fantasma

Os neutrinos raramente interagem com a matéria comum, por isso são muito difíceis de detectar. Se você colocar um copo de água numa mesa, um trilhão de neutrinos passarão por ele a cada segundo. Muitas dessas partículas misteriosas viajam sem fazer barulho ou deixar rastos. Mas, ocasionalmente – digamos, uma em dez milhões de trilhões de vezes, um neutrino se choca com um dos átomos da molécula da água. Essa rara interação pode gerar um pequeno flash luminoso ou liberar uma carga elétrica livre.

O flash é pequeno demais para que seus olhos consigam vê-lo. Entretanto, os cientistas podem construir detectores muito sensíveis para captar esses sinais tênues. Mais ou menos como no filme Os Caça-Fantasmas (Ghostbusters), a eletrônica dentro dos detectores amplifica os sinais para tornar visíveis os “fantasmas” invisíveis!

Mas esperar por uma interação de neutrino em dez milhões de trilhões pode levar muito tempo. A fim de apanhar neutrinos suficientes para aprender alguma coisa a seu respeito, os cientistas precisam de um “copo de água” bem maior – tanques enormes, com milhões de litros! E esses tanques detectores precisam estar bem fundos no chão. Por quê? Porque os neutrinos não são as únicas partículas que voam para a Terra. Muitas outras partículas energéticas, conhecidas como raios cósmicos, também vêm do espaço exterior e todas elas podem provocar interações visíveis nos detectores. Se o tanque detector ficasse na superfície, milhões de interações de raios cósmicos encobririam facilmente os raros sinais dos neutrinos. Mas, com o detector localizado profundamente no chão, os raios cósmicos são detidos por interações com átomos da Terra, enquanto os neutrinos vão em frente, deixando seus traços no detector.

Diferentes detectores e tipos de neutrinos

Os neutrinos possuem uma ampla possibilidade de energias. Essa variação pode significar um brilho insignificante ou um clarão bem intenso nos detectores cheios de água. Os neutrinos também podem ser separados em três grupos, com uma classificação que leva em conta uma característica chamada de “sabor”. Os cientistas aprenderam a construir detectores adequados a todos os tipos de neutrinos e seu amplo leque de energias.

A interação de cada tipo diferente de neutrino produz um tipo diferente de partícula carregada negativamente. Um neutrino do elétron (neutrino eletrônico) produz um elétron (simples, não?). Os outros dois tipos de neutrinos recebem os nomes de duas partículas subatômicas diferentes: um neutrino do múon (meutrino muônico) produz uma partícula múon e um neutrino do tau (neutrino taônico) produz uma partícula tau.

Há também versões de antimatéria dos três sabores de neutrinos. São exatamente os mesmos dos neutrinos da matéria comum, exceto que produzem partículas positivamente carregadas no detector.

Os cientistas conseguem distinguir essas partículas porque cada tipo deixa um traço diferente no detector. Por exemplo, os múons deixam linhas retas, os elétrons parecem chuveiros e as partículas tau decaem rapidamente, produzindo múltiplas linhas retas. Com base nessas diferenças, os cientistas decodificam os sabores dos neutrinos e o que cada uma dessas partículas fantasmas carrega em si.

Equipamentos eletrônicos sensíveis tiram fotografias em 3D

Uma equipe de cientistas está agora construindo um novo detector de neutrinos gigante, bem fundo no chão, em Dakota do Sul, Estados Unidos. Esse experimento é conhecido como Experimento com Neutrinos em Grande Profundidade (Deep Underground Neutrino Experiment, DUNE). Seu detector é preenchido com argônio líquido.

O gás argônio constitui apenas 1% de nossa atmosfera, mas os cientistas conseguem coletá-lo e transformá-lo em argônio líquido de grande pureza. Esse líquido muito frio (-1860C) torna fácil detectar o caminho das partículas carregadas traçado pelas interações de neutrinos. Isso ocorre porque, enquanto se movem através do argônio líquido, as partículas carregadas velozes ionizam os átomos de argônio em sua passagem. Essa ionização faz com que os traçados ali deixados pareçam “relâmpagos”. Todavia, construir um detector de argônio líquido gelado é um enorme desafio. Para ter certeza de que esse novo projeto funcionará, a equipe internacional construiu e testou uma versão menor, conhecida como ProtoDUNE (ver Figura 2). Dispararam diferentes tipos de partículas através desse detector no laboratório europeu de física de partículas, no Conselho Europeu para Pesquisa Nuclear (European Council for Nuclear Research, CERN). Equipamentos eletrônicos cuidadosamente projetados captaram e gravaram os sinais e computadores transformaram essas medidas em belas imagens 3D dos traços das partículas (ver Vídeo 1) – como uma câmera digital de cinco megapixels que trabalha em três dimensões!

Figura 2. Um cientista dentro do detector ProtoDUNE, no laboratório europeu CERN, antes que ele fosse preenchido com argônio líquido puro (a -1860C!). O cientista inspeciona a superfície interna, que é uma caixa isolada feita de aço inoxidável muito puro. Quando o detector está cheio e operando, essa superfície é energizada com alta tensão a fim de fazer com que as partículas carregadas, produzidas pela ionização do argônio líquido, escapem e sejam apanhadas pelos equipamentos eletrônicos sensíveis. Assim, os cientistas podem registrá-las. Crédito: Fermi National Accelerator Laboratory.
Vídeo 1. Este vídeo mostra os traços de inúmeros raios cósmicos passando pelo detector ProtoDUNE. Esses dados foram usados para testar o desempenho do detector.As cores correspondem à intensidade de ionização no argônio líquido (vermelho é menor, azul é maior). A ionização acontece quando se aplica um poderoso campo elétrico ao detector. A imagem 3D foi criada analisando-se e combinando-se os sinais eletrônicos de milhares de fios nas paredes, os quais agem como pixels numa câmera digital. Crédito: Chao Zhang, Brookhaven National Laboratory. Você poderá ver esses dados em 3 dimensões neste link.

Mensageiros vindos do Sol, da atmosfera, dos reatores e dos aceleradores

Nos últimos 50 anos, os cientistas aperfeiçoaram a técnica de detecção de neutrinos. Conseguem medi-los quando vêm do Sol, das colisões de raios cósmicos com átomos da atmosfera terrestre e de reatores nucleares que produzem eletricidade (ver Figura 3). Eles aprenderam também a fazer neutrinos de alta energia em aceleradores de partículas de alta potência. Fontes diferentes produzem diferentes neutrinos, cada qual com seu sabor. Contando cuidadosamente os neutrinos de cada sabor, a diferentes distâncias das fontes, os cientistas fizeram duas notáveis descobertas sobre essas partículas. Primeira, que neutrinos de cada tipo se transformam em outros tipos enquanto percorrem o espaço! Ou seja, as mensagens dos neutrinos se modificam enquanto eles voam. Segunda, os neutrinos possuem uma massa muito pequena! Cada neutrino tem 1 milionésimo da massa de um elétron.

Figura 3. As quatro fontes de neutrinos usadas para experimentos. (A) O Sol produz neutrinos do elétron (ne). (B) Neutrinos de dois tipos, do múon (nμ) e do elétron (ne), são produzidos por colisões de raios cósmicos de alta energia com átomos da atmosfera terrestre. (C) Reatores nucleares emitem neutrinos antielétron (anti ne). (D) Aceleradores de prótons de alta energia produzem um raio de neutrinos múon (nμ) que passam através da Terra. Os detectores são instalados a diferentes distâncias das fontes. Crédito: Tiffany Bowman, Brookhaven National Laboratory.

O primeiro experimento que detectou com sucesso neutrinos solares, feito por Raymond Davis, do Brookhaven National Laboratory, nos anos 1960, foi surpreendente: muitos dos neutrinos que os cientistas esperavam detectar “se perderam” de alguma forma. Mas não foi por causa de um defeito do detector. Os cientistas o tinham desenhado para receber apenas um tipo de neutrino: os neutrinos do elétron gerados no centro do Sol. Eles podiam calcular exatamente quantos neutrinos do elétron deveriam ser detectados. Mas apenas cerca de um terço dos neutrinos do elétron esperados apareceram no detector. Graças a mais experimentos, os cientistas por fim descobriram a razão do mistério: alguns neutrinos do elétron haviam se transformado em um dos outros dois sabores (múon ou tau) em sua viagem a partir do Sol. Como o detector era cego aos outros dois sabores, foi como se houvessem desaparecido!

A descoberta do “déficit de neutrinos solares”, por Davis, gerou a princípio muitas controvérsias. Teria de ser testada por outros experimentos, que usaram neutrinos atmosféricos, neutrinos de reator e neutrinos de acelerador.  Em todos eles, os cientistas constataram que sabores de neutrinos “desapareciam” – transformando-se em outros sabores conforme a distância do trajeto.

O novo experimento DUNE, nos Estados Unidos, e o experimento Hyper-Kamiokande, no Japão, fornecerão mais detalhes sobre o comportamento de mudança de forma dos neutrinos e antineutrinos. Se os cientistas descobrirem uma diferença entre os modos como os neutrinos e antineutrinos se transformam, isso talvez solucione um dos mais intrigantes mistérios do universo: por que tudo é feito unicamente de matéria e não de antimatéria?

Segundo os cientistas, tanto a matéria quanto a antimatéria foram criadas em quantidades iguais no Big Bang. Mas quantidades iguais desses dois opostos deveriam ter-se destruído mutuamente, deixando apenas a luz! Portanto, a existência apenas de matéria, hoje, é prova de que houve um pequeno excesso de matéria. É possível que a diferença entre neutrinos e antineutrinos tenha provocado esse pequeno excesso enquanto o universo se expandia e esfriava. Se isso for verdade, então precisamos agradecer aos neutrinos pelo universo que temos hoje, com tudo que vemos à nossa volta, incluindo rochas, plantas, animais e pessoas!

Glossário

Reações nucleares: As reações nucleares ocorrem quando núcleos atômicos reagem uns com os outros formando outros núcleos. No Sol, os núcleos de hidrogênio (prótons) se combinam para formar núcleos de hélio e liberar energia – calor e luz solar.

Decaimento radioativo: Os núcleos de muitos átomos são instáveis e, com o tempo, se fragmentam liberando partículas energéticas como os raios alfa, beta e gama. O processo de fragmentação é conhecido como decaimento radioativo.

Antimatéria: Cada tipo de partícula carregada de matéria possui uma contrapartida de carga oposta. Essas partículas idênticas, mas com cargas opostas, são antimatéria (ou antipartículas). Por exemplo, a antimatéria de um múon (negativamente carregado) é um antimúon (positivamente carregado). Os neutrinos não possuem carga, mas também possuem antipartículas; entender sua natureza é um dos maiores desafios da física.

Sabores de neutrinos: Os neutrinos existem em três sabores ou tipos, nomeados de acordo com os diferentes tipos de partículas carregadas que produzem quando interagem com a matéria comum. As três partículas fundamentais negativamente carregadas são as partículas elétron, múon e tau. São idênticas em tudo, exceto pelo fato de a partícula múon ser 200 vezes mais pesada do que o elétron e a tau 3.500 vezes mais pesada do que o elétron.

Argônio líquido: O argônio é um gás inerte que forma um por cento da atmosfera terrestre. Torna-se líquido a -1860C e parece tão claro quanto a água. É fácil detectar neutrinos nele porque a ionização dura tempo suficiente para isso.

Ionização: Ocorre quando partículas energéticas expelem elétrons dos átomos. O resultado são íons positivamente carregados e elétrons livres.

Aceleradores: Máquinas nas quais partículas carregadas como os elétrons e os prótons são impulsionadas quase à velocidade da luz. Os cientistas fazem com que raios intensos dessas partículas colidam com alvos a fim de produzir outras partículas subatômicas, inclusive os neutrinos energéticos.

Big Bang: Expressão abreviada para o evento que deu início ao universo a partir de um único ponto cheio de um estado de matéria denso e quente, há cerca de 14 bilhões de anos. Todas as partículas e matéria que vemos hoje, inclusive as galáxias, estrelas, planetas, etc., surgiram quando esse estado semelhante a um ponto se expandiu e esfriou.

Citação

Diwan, M. e McNulty Walsh, K. (2020). Detecting Ghostlike Neutrinos: Tiny Messengers from the Universe. Front. Young Minds. 8:45. DOI: 10.3389/frym.2020.00045.

Encontrou alguma informação errada neste texto?
Entre em contato conosco pelo e-mail:
parajovens@unesp.br