O prof. Art McDonald ganhou o Prêmio Nobel de Física em 2015, juntamente com Takaaki Kajita, pela descoberta das oscilações dos neutrinos, as quais demonstram que eles possuem massa. 

Neutrinos: partículas fundamentais

De que é feito o universo e como ele evoluiu desde o Big Bang? Essas são algumas das perguntas mais intrigantes que podemos nos fazer. Para responder a elas de maneira científica, utilizamos diversas abordagens e métodos. Eu venho da área da astrofísica de partículas – um campo de pesquisa relativamente novo que estuda as partículas básicas em movimento pelo espaço, especialmente as que chegam à Terra. Os físicos de partículas tentam entender os componentes básicos que constituem a matéria e as forças que governam as interações entre eles. De um modo geral, tentamos desenvolver métodos experimentais para encontrar as partículas menores, chamadas de partículas fundamentais – aquelas que não podem mais ser subdivididas.

A seguir, com base no que descobrimos, elaboramos o que é chamado de um modelo teórico: um conjunto de ideias e equações que explicam como a matéria é criada a partir dessas partículas fundamentais. Nunca dizemos que nosso modelo é o melhor, pois cada versão de um modelo se baseia na sensibilidade ou resolução dos instrumentos de que dispomos no momento. Ao longo dos anos, os instrumentos vão se tornando cada vez mais sensíveis e, consequentemente, aprendemos coisas novas e excitantes sobre os blocos de construção fundamentais da matéria e do universo em que vivemos. 

O modelo, já bastante duradouro, que descreve as partículas e as forças que agem entre elas é chamado de modelo padrão [1]. De acordo com o modelo padrão, toda matéria, incluindo os átomos que constroem nossos corpos, o ar que respiramos e a luz que recebemos do Sol, é composta de partículas fundamentais. Essas partículas foram criadas durante o Big Bang, há cerca de 13,8 bilhões de anos, e durante a evolução subsequente do universo. 

As partículas fundamentais incluem elétrons, quarks e neutrinos (Figura 1A), bem como outras das quais você já deve ter ouvido falar, como fótons, bósons, glúons e a famosa partícula de Higgs. Trataremos dos neutrinos neste artigo. Todas as partículas fundamentais interagem umas com as outras por meio de quatro forças fundamentais, chamadas força forte, força fraca, força eletromagnética e força gravitacional. Os quarks são os blocos de construção dos prótons e dos nêutrons. Os prótons e os nêutrons formam o núcleo dos átomos, que é cercado pelos elétrons (Figura 1B). 

Os neutrinos são emitidos por substâncias naturalmente radioativas e durante certas reações que podemos criar em dispositivos científicos chamados aceleradores. No entanto, os neutrinos são mais comumente gerados por reações nucleares no Sol, graças a um processo chamado fusão nuclear. Na fusão nuclear, dois núcleos atômicos se combinam para formar um único átomo, mais pesado, ao mesmo tempo que liberam grandes quantidades de energia e partículas, incluindo neutrinos. Esses neutrinos levam dois segundos para sair do Sol e cerca de oito minutos para chegar à Terra. Seu número é assombroso – para se ter uma ideia, a cada segundo, cada centímetro quadrado da superfície da Terra é atravessado por 65 bilhões de neutrinos solares! 

Os neutrinos são partículas elementares incomuns porque interagem com a matéria por meio de apenas duas das quatro forças fundamentais – a gravidade e a força fraca (a força fraca pode permitir que um neutrino transforme um nêutron em um próton e um elétron).

Como os neutrinos quase não têm massa, a força gravitacional que exercem é muitíssimo pequena e praticamente indetectável. No caso da força fraca, eles devem estar extremamente próximos de outros prótons, nêutrons ou elétrons para interagir com eles. Isso torna os neutrinos extremamente difíceis de detectar [2]. Os neutrinos conseguem, basicamente, atravessar a matéria comum como se ela fosse quase transparente. Na verdade, os neutrinos interagem com a matéria apenas quando atingem de frente o núcleo de um átomo ou os elétrons que giram em torno de um núcleo, mas isso acontece muito raramente porque os átomos são, em grande parte, espaços vazios.

Em todos os outros casos, os neutrinos passam através da matéria ininterruptamente – incluindo os bilhões deles que atravessam nossos corpos a cada segundo! Como os neutrinos só interagem muito fracamente com nossos detectores, é extremamente difícil “vê-los” e medir suas propriedades. Devido às suas raras interações com a matéria, algumas pessoas chamam os neutrinos de “os fantasmas do universo”. 

Embora difíceis de detectar e medir, os neutrinos desempenharam um papel central na formação do universo. Eles ajudaram a construir estruturas como estrelas e galáxias. Também ajudaram a criar alguns dos elementos básicos surgidos no início do universo durante o Big Bang. 

Os neutrinos são de três tipos ou sabores: o neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau. Cada sabor interage com a partícula elementar correspondente – elétron, múon, tau (Figura 1C) [3].Não sabemos exatamente por que existem apenas três tipos de neutrinos, mas esses são os únicos que encontramos até agora e se enquadram nas previsões do modelo padrão. Como você verá a seguir, nossa importante descoberta, pela qual recebi o Prêmio Nobel de Física em 2015 juntamente com o prof. Takaaki Kajita, está relacionada às mudanças nos sabores dos neutrinos à medida que viajam pelo espaço, do núcleo do Sol até a Terra. 

Como medimos os neutrinos

Quando começamos nossa pesquisa sobre neutrinos, havia um problema não resolvido na astrofísica de partículas chamado “problema do neutrino solar” [4]. Para medir neutrinos, detectores especiais foram construídos, mas eles mostraram que o número de neutrinos de elétron vindos do Sol era muito menor do que o número esperado, fornecido por cálculos muito sólidos de como o Sol “queima”.  A discrepância entre os números medido e esperado de neutrinos vindos do Sol para a Terra só podia significar duas coisas: ou precisaríamos atualizar o modelo padrão de partículas elementares e alterar nosso modo de pensar sobre os neutrinos ou teríamos de modificar o modo de calcular o número de neutrinos provenientes do Sol.

Ambas as possibilidades sugeriam implicações significativas para nosso entendimento do universo, de modo que muitos físicos de partículas astrofísicas se uniram em uma missão coletiva a fim de criar um experimento capaz de resolver o problema do neutrino solar.

Como mencionado anteriormente, os neutrinos não podem ser medidos pela interação direta com nossos detectores: são normalmente medidos de maneira indireta, observando-se os efeitos que ocorrem quando partículas fundamentais são emitidas em processos radioativos.

Por exemplo, um neutrino de elétron pode ser medido usando-se um processo radioativo chamado decaimento beta, durante o qual um elétron é emitido. Podemos medir a energia dos elétrons emitidos e os cientistas, a princípio, supunham que apenas eles eram emitidos nesse processo, esperando desse modo medir uma única energia para todos os elétrons emitidos. Em vez disso, obtiveram toda uma gama de energias mais baixas dos elétrons emitidos! A fim de explicar essa gama de libertação de energia, presumiram que outra partícula (o neutrino de elétron) também fosse liberada. Assim, indiretamente, mediram os neutrinos do elétron por meio da “energia perdida” de elétrons emitida durante o decaimento beta. 

Em nosso experimento no Sudbury Neutrino Observatory (SNO), com dois quilômetros de profundidade no solo no Canadá (Figura 2A e Apêndice), adotamos uma abordagem similar a fim de medir indiretamente os neutrinos por meio de seu efeito em um tipo especial de água chamada água pesada. Como você sabe, a água comum (H₂O) é composta de um átomo de oxigênio (O) e dois átomos de hidrogênio (H). O hidrogênio tem um próton no seu núcleo. Ao contrário, a água pesada (D₂O) contém um átomo de oxigênio e dois átomos de deutério (D). O deutério tem um próton e um nêutron em seu núcleo (em outras palavras, é um átomo de hidrogênio provido de um nêutron). Isso aumenta seu peso em 10%, mas não muda muito suas propriedades químicas. A água pesada ocorre naturalmente e 1 em cada 6.400 moléculas de água é D₂O. 

Em nosso experimento no SNO, enchemos um grande recipiente com água pesada pura e medimos os efeitos das colisões entre neutrinos solares e essa água. Basicamente, medimos duas reações que ocorrem quando neutrinos colidem com água pesada.

Na primeira reação, um neutrino de elétron interage com um átomo de deutério da água pesada. Essa interação transforma o nêutron do núcleo do átomo em um próton e em um elétron rápido que produz luz (Figura 2B, Reação 1), a qual medimos. Na segunda reação, neutrinos dos três tipos (elétron, múon e tau) interagem com um átomo de deutério. Nessa interação, o núcleo do átomo de deutério se divide em um próton e um nêutron em movimento livre. O nêutron livre se move pela água pesada e é detectado de diferentes modos nas três fases do projeto. Na primeira fase, o nêutron é capturado por outro átomo de deutério, produzindo luz com propriedades diferentes das obtidas na reação 1 (Figura 2B, Reação 2). 

Assim, tivemos duas reações de neutrinos com produção de luz usando água pesada, que pudemos medir recorrendo aos nossos sensores luminosos, chamados fototubos – assim, constatamos indiretamente a presença de neutrinos. 

Foi necessário um grande esforço para garantir que estávamos medindo apenas os efeitos dos neutrinos e nenhuma outra fonte de radiação. Tivemos que proteger nossos detectores da radioatividade vinda do espaço exterior e isso exigiu que os instalássemos a cerca de dois quilômetros de profundidade, rodeados de rocha (Figura 2A). Tivemos também de nos certificar de que não estávamos medindo a radioatividade emitida pela rocha. Especificamente, protegemos nossa área de água pesada do urânio e do toro – dois elementos radioativos presentes nas rochas. Para fazer isso, cercamos nosso reservatório de água pesada com água ultralimpa – bilhões de vezes mais limpa, em termos de elementos radioativos, do que a água de torneira. Essa água limpa capturou os produtos da radioatividade da rocha.

Também construímos o detector com materiais cuidadosamente selecionados para ter baixo teor de radiatividade e criamos ar ultralimpo, além de pedir aos trabalhadores que tomassem banho e usassem roupas sem fiapos.  Para medir a luz emitida quando os neutrinos interagissem com a água pesada, colocamos muitos fototubos ao redor do recipiente de água pesada. Criar essa configuração experimental foi muito desafiador – tratava-se de uma grande tarefa de engenharia e de um experimento de física complexo. (Para saber mais sobre o aspecto de engenharia do projeto, consulte o Apêndice.) 

Onde estão os neutrinos perdidos?

Como mencionado acima, nosso desafio era resolver o problema dos neutrinos solares: por que o número obtido de neutrinos de elétrons chegados à Terra era cerca de três vezes menor do que o esperado? Ou o experimento ou a teoria (ou ambos) poderiam estar incorretos ou talvez os neutrinos de elétron do Sol estivessem mudando de sabor e escapando à detecção em experimentos que eram apenas ou principalmente sensíveis aos neutrinos do elétron. 

Em nossa experiência, queríamos verificar se a mudança de sabor ocorria antes de os neutrinos chegarem à Terra. Sabíamos que, no núcleo do Sol, apenas neutrinos de elétron são produzidos (os múons e os taus são partículas mais pesadas que os elétrons e, portanto, produzi-los com seus neutrinos associados requer mais energia do que a disponível no Sol). Isso significa que, se alguns dos neutrinos que chegam do Sol não são neutrinos do elétron, eles devem mudar de sabor enquanto viajam do núcleo solar para a Terra. (Os neutrinos mudam de sabor periodicamente, por meio de um fenômeno quântico chamado oscilações de neutrinos.)

Ao sintonizar nossos detectores com uma gama específica de energia, poderíamos detectar os efeitos dos neutrinos originados do Sol e não de outras fontes como os raios cósmicos, que emitem neutrinos com energias mais elevadas. Nos níveis de energias que estudamos, o Sol é de longe o principal produtor de neutrinos que chegam à Terra. 

Numa medição com o nosso detector, observamos neutrinos do elétron interagindo com átomos de deutério e emitindo um elétron livre e de movimento rápido, como descrito acima. Numa medição separada, observamos neutrinos dos três sabores interagindo com átomos de deutério e emitindo um nêutron de movimento livre. Em outras palavras, a primeira medição nos fez ver como os neutrinos do elétron chegam do Sol, enquanto a segunda nos revelou o número total desses neutrinos.

Comparando as duas, descobrimos que só um terço dos neutrinos que chegam do Sol são neutrinos do elétron. Portanto, dois terços dos neutrinos mudam seu sabor, de neutrinos do elétron para neutrinos do múon ou neutrinos do tau (Figura 3) [2, 5]. Nosso experimento mostrou que um neutrino do elétron pode mudar de sabor quando viaja – essa foi a solução para o problema do neutrino solar!

Como parte do modelo padrão para partículas elementares, presumiu-se num primeiro momento que os neutrinos não tinham massa e viajavam à velocidade da luz. A descoberta de que eles oscilam implicava – de acordo com considerações resultantes da teoria da relatividade de Einstein –  possuírem massa. Está além do escopo deste artigo explicar em detalhe por que o fato de os neutrinos mudarem de sabor através do espaço significa que têm massa. Mas, em geral, a teoria da relatividade especial de Einstein determina que essa mudança periódica no sabor significa que, do ponto de vista dos neutrinos, o tempo está passando.

Uma experiência de tempo implica que neutrinos se movem mais vagarosamente do que a velocidade da luz e, portanto, têm massa. Nossa experiência, juntamente com as medições feitas na experiência Super-Kamiokande, no Japão, com quem partilhamos o Prêmio Nobel, forneceu a primeira evidência da física que vai além do modelo padrão. A extensão do modelo padrão nos dará uma compreensão mais completa do universo em um nível mais básico. Um grande número de pessoas trabalhou por um longo período de tempo para tornar possível essa grande conquista. Eu estou profundamente grato a todos os envolvidos nesse importante projeto e me sinto feliz por ter participado dele. Embora tenha recebido o Prêmio Nobel, vejo-me apenas como representante de todos os meus colegas altamente qualificados e dedicados que tornaram esse projeto um sucesso. 

Recomendação para as mentes jovens

Cresci em uma pequena cidade siderúrgica no Canadá. Embora, ali, as pessoas apreciassem o valor da educação, ninguém esperava que um residente acabasse ganhando um Prêmio Nobel. Isso significa que qualquer um de vocês – se estudar bastante e conhecer pessoas realmente boas com quem trabalhar – pode fazer algo realmente significativo na vida e talvez ganhar um prêmio como o meu. 

Quando se trata de escolher uma carreira, recomendo: selecione algumas coisas que você ficará feliz em fazer depois de acordar de manhã e ponha-se a praticá-las. A seguir, veja em quais delas você é bom – foi o que eu fiz! Acredito que essa seja uma ótima maneira de escolher sua carreira. E uma vez escolhida, concentre-se nela, mantendo relacionamentos positivos e amigáveis com as pessoas ao seu redor – que serão de muita ajuda para seu sucesso. 

Também é muito importante permanecer curioso ao longo da vida, pois o mundo em geral e a ciência em particular mudam rapidamente. Você pode não acreditar, mas, quando eu estava na universidade, foi só em 1964 que ela recebeu seu primeiro computador. Era tão grande e pesado que teve de ser erguido com um guindaste e posto dentro do prédio de física pelo telhado! Hoje em dia, muitos de vocês provavelmente possuem notebooks ou até mesmo telefones celulares muito mais poderosos e muito menores do que os primeiros computadores (Figura 4).

Eis aí um exemplo de quanto a ciência mudou durante minha carreira e penso que esse ritmo incrível não diminuirá. Portanto, continue curioso, aprenda coisas novas e adapte-se aos novos avanços. Além disso, lembre-se de que jovens como você lidam melhor com as novas tecnologias e contribuem mais para seu desenvolvimento – sim, você tem muito a contribuir! Portanto, não hesite em aprender o máximo que puder sobre as tecnologias mais recentes, procurando transmitir esse conhecimento e educar outras pessoas, até mesmo seus colegas mais velhos. 

Glossário

Partículas Fundamentais: As menores partículas que formam todas as outras. 

Modelo Padrão de Partículas Fundamentais: Modelo para as partículas fundamentais e suas interações por meio das forças da natureza. 

Neutrinos: Partículas fundamentais que interagem pela gravidade e a força fraca. 

Radioatividade: Emissão espontânea de partículas energéticas resultante da quebra do núcleo atômico. 

Sabor do Neutrino: Característica dos neutrinos que define o seu tipo. Os neutrinos têm três sabores distintos – neutrino de elétron, neutrino de múon e neutrino de tau. 

Água Pesada: Água contendo átomos de deutério ao invés de átomos de hidrogênio. O deutério tem um próton e um nêutron no seu núcleo, ao passo que o átomo de hidrogênio só tem um próton. Ele se comporta quimicamente como o hidrogênio. 

Fototubos: Sensores luminosos que nos ajudam a medir a luz produzida quando os nêutrons interagem com a água pesada. 

Agradecimentos

Quero agradecer a Noa Segev por fazer a entrevista que serviu de base para este artigo e colaborar na sua redação; e a Alex Bernstein por fornecer as Figuras 1–4. 

Referências

[1] Cottingham, W. N. e Greenwood, D. A. 2007. An Introduction to the Standard Model of Particle Physics. Nova York, NY: Cambridge University Press. 

[2] McDonald, A. B. 2016. “Nobel lecture: the Sudbury Neutrino Observatory: observation of flavor change for solar neutrinos.” Rev. Modern Phys. 88:030502. DOI: 10.1103/RevModPhys.88.030502.

[3] Acker, A. e Pakvasa, S. 1997. “Three neutrino flavors are enough.” Phys. Lett. B. 397:209–15. DOI: 10.1016/S0370-2693(97)00174-3. 

[4] Haxton, W. C. 1995. “The solar neutrino problem.” Annu. Rev. Astron. Astrophys. 33:459–503. 

[5] Ahmad, Q. R., Allen, R. C., Andersen, T. C., Anglin, J. D., Barton, J. C., Beler, E. W. et al. 2002. “Direct evidence for neutrino flavor transformation from neutral-current interactions in the Sudbury Neutrino Observatory.” Phys. Rev. Lett. 89:011301. DOI: 10.1103/PhysRevLett.89.011301. 

Apêndice

Visão Geral: O experimento do Sudbury Neutrino Observatory

O experimento do SNO para medir neutrinos e seus sabores foi um grande esforço colaborativo. O tempo todo, mais de 150 pessoas trabalhavam no projeto, cada qual em sua tarefa específica. Primeiro, tivemos que escavar um enorme buraco de 2 km de profundidade, numa antiga mina em Sudbury, Canadá. Os membros da equipe de construção fizeram furos no chão da mina e colocaram explosivos ali. Depois, tiraram todo o seu equipamento do local e detonaram os explosivos para aprofundar e alargar a cavidade. Em seguida, removeram os escombros gerados pela explosão. Foram necessários cerca de 2,5 anos e 8 séries de explosões para abrir essa cavidade de 34 metros de altura (a mesma de um prédio de 10 andares) e 22 metros de largura. 

Depois de abrir a cavidade, tivemos que construir a esfera de acrílico que conteria a água pesada. A esfera foi montada com 120 peças, cada uma pequena o suficiente para baixar à mina de elevador. Em seguida, construímos uma esfera geodésica ao redor da esfera de acrílico, onde seriam colocados os fotossensores para medir os efeitos da reação dos neutrinos com a água pesada. No total, instalamos 10 mil fotossensores na esfera geodésica, por meio de elevadores. 

Finalmente, enchemos a esfera acrílica com 1.000 toneladas de água pesada (D₂O) tão pura que ocorria menos de um decaimento radioativo espontâneo por dia por tonelada de água, a qual é um bilhão de vezes mais pura do que a água de torneira. Mesmo com uma quantidade tão grande de água pesada pura, podíamos medir o efeito de apenas 1 neutrino chegando do Sol por hora, pois os neutrinos raramente interagem com a matéria.  Como você pode ver, esse projeto era ao mesmo tempo uma tarefa complexa de engenharia e um experimento de física básica.

Muitas pessoas qualificadas e dedicadas trabalharam em equipe rumo ao objetivo comum, que consideravam significativo. Muitas vezes tivemos que fazer escolhas de como conduzir o experimento e fizemos isso discutindo detalhadamente as alternativas, até ficar claro que o grupo favorecia uma em detrimento da outra. Felizmente, sempre conseguíamos chegar a um acordo depois de boas discussões. Trabalhando juntos em equipe, realizamos uma experiência bem-sucedida e, consequentemente, aprendemos algo novo e importante sobre os blocos de construção fundamentais do nosso universo. 

Citação

McDonald, A. (2023) “Neutrinos: the ghost particles that make up our universe.” Front. Young Minds. 11:1034181. DOI: 10.3389/frym.2022.1034181.