CIÊNCIA EM FOCO: Neutrinos: a verdadeira metamorfose ambulante - Prêmio Nobel de Física de 2015
Não faltaram sugestões para responder a esta pergunta. Uma delas foi que algo estava errado com os cálculos teóricos sobre como os neutrinos são produzidos no Sol. Outra das sugestões era a mudança de identidade dos neutrinos. De acordo com o Modelo Padrão da física de partículas, o neutrino faz parte da família dos léptons. Para cada lépton eletricamente carregado (o elétron, o múon e o tau), existe um neutrino correspondente. Portanto, existem 3 tipos neutrinos: o do elétron, o do múon e o do tau. Inicialmente, conhecia-se somente o neutrino do elétron. O neutrino do múon foi descoberto em 1962 e o neutrino do tau apenas em 2000. O Sol só produz os neutrinos do elétron. Mas, se esses neutrinos do elétron se transformassem em neutrinos do múon e do tau no seu caminho para a Terra, o déficit de neutrinos do elétron capturados poderia ser entendido.
Especulações sobre a mudança de identidade dos neutrinos continuaram apenas especulações até que instalações maiores e mais sofisticadas foram colocadas em operação. Dia e noite, neutrinos foram caçados em detectores colossais construídos em grandes profundidades, a fim de blindar ruídos vindos de radiação cósmica e de decaimentos radiativos espontâneos das redondezas. O Super-Kamiokande entrou em operação em 1996 em uma mina de zinco a 250 km de Tóquio, enquanto o Sudbury Neutrino Observatory, construído em uma mina de níquel em Ontário, começou as observações em 1999. Juntos eles iriam revelar a literal metamorfose ambulante do neutrino, a descoberta premiada este ano.
O Super-Kamiokande é um detector gigantesco construído a 1000 metros abaixo da superfície da Terra. Consiste de um tanque com 40 metros de altura e 40 de largura, parcialmente preenchido com 50 mil toneladas de água ultrapura. Mais de 11 mil detectores de luz estão localizados no topo, nas laterais e no fundo do tanque, com a tarefa e amplificar e medir flashes de luz muito fracos na água.
Uma quantidade enorme de neutrinos passa através do tanque, mas, só de vez em quando, um neutrino colide com um núcleo atômico ou um elétron na água. Nessas colisões, são criadas partículas carregadas (múons, a partir de neutrinos do múon, e elétrons, a partir de neutrinos do elétron). Ao redor das partículas carregadas, são gerados flashes fracos de luz azul. Essa é a luz de Cherenkov, a qual surge quando um partícula viaja mais rápido que a luz no meio. Isso não é uma contradição à teoria da relatividade de Einstein, que diz que nada pode se mover mais rápido que a luz no vácuo. Na água, a luz é freada para até 75% de sua velocidade máxima, e pode ser "ultrapassada" pelas partículas carregadas. A forma e a intensidade da luz de Cherenkov revelam qual é o tipo de neutrino e de onde ele vem.
Durante seus primeiros dois anos de operação, o Super-Kamiokande captou cerca de 5000 sinais de neutrino. Isso é muito mais do que em experimentos anteriores, mas ainda é menos do que era esperado quando os cientistas estimaram a quantidade de neutrinos criados pela radiação cósmica. Partículas de radiação cósmica vêm de todas as direções do espaço e, quando colidem a toda velocidade com moléculas da atmosfera terrestre, resultam em chuvas de neutrinos.
O Super-Kamiokande capturou neutrinos do múon vindo direto da atmosfera logo acima, bem como aqueles atingindo o grande detector por baixo, depois de terem atravessado todo o planeta. Deveria haver números iguais de neutrinos vindo dos dois sentidos, pois a Terra não constitui um obstáculo considerável para eles. Porém, os neutrinos do múon que chegaram de cima foram mais numerosos do que aqueles que primeiro atravessaram o globo terrestre. Isso indicava que os neutrinos do múon que viajaram uma distância maior tiveram tempo para sofrer uma mudança de identidade, o que não era o caso para os neutrinos do múon que vieram direto de cima e somente viajaram algumas dezenas de quilômetros. Como o número de neutrinos do elétron chegando de diferentes direções estavam em concordância com as expectativas, os neutrinos do múon tinham que ter se transformado no terceiro tipo — os neutrinos do tau. No entanto, os neutrinos do tau não podiam ser observados no grande detector.
Uma importante peça foi colocada no quebra-cabeça quando o Sudbury Neutrino Observatory (SNO) realizou suas medidas de neutrinos vindos do Sol, onde os processos nucleares só produzem neutrinos do elétron. A dois quilômetros abaixo da superfície da Terra, os neutrinos do elétron são monitorados por 9500 detectores de luz em um tanque com mil toneladas de água pesada. Ela é diferente da água normal, pelo fato de cada átomo de hidrogênio nas moléculas de água possuírem um nêutron extra em seu núcleo, criando o deutério, isótopo do hidrogênio. O núcleo do deutério oferece possibilidades adicionais para os neutrinos colidirem no interior do grande detector SNO.
Para algumas reações, somente a quantidade de neutrinos do elétron poderia ser determinada, enquanto outras permitiam aos cientistas medir a quantidade de todos os três tipos de neutrinos juntos, sem distinguir entre cada um deles. Como se supõe que somente os neutrinos do elétron vêm do Sol, ambos os modos de medir os neutrinos deveriam dar o mesmo resultado. Então, se o número de neutrinos do elétron detectados for menor que o dos três tipos juntos, isso indicaria que algo tinha acontecido aos neutrinos do elétron durante sua longa jornada de 150 milhões de quilômetros.
Apesar de mais de 60 bilhões de neutrinos por centímetro quadrado por segundo atingirem a Terra vindos do Sol, o Sudbury Neutrino Observatory capturava somente três por dia durante seus primeiros dois anos de operação. Isso corresponde a um terço do número esperado de neutrinos do elétron que deveriam ser detectados. Dois terços tinham desaparecido. No entanto, a soma, contando os três tipos, correspondia ao número esperado de neutrinos. A conclusão era que os neutrinos do elétron tinham que ter mudado de identidade no percurso.
Os dois experimentos confirmaram a suspeita de que neutrinos podem mudar de uma identidade a outra. E para que ocorra essa metamorfose, é necessário que os neutrinos tenham massa, caso contrário, eles não podem mudar. Como, então, ocorre essa metamorfose?
A física quântica é necessária para explicar essa "mágica". No mundo quântico, partícula e onda são diferentes aspectos do mesmo estado físico. Uma partícula com certa energia é descrita por uma onda correspondente com certa frequência. Os três tipos de neutrinos são, então, representados por ondas superpostas, que correspondem a estados de neutrino com massas diferentes.
Quando as ondas estão em fase, não é possível distinguir os diferentes estados de neutrino entre si. Porém, quando os neutrinos viajam através do espaço, as ondas ficam fora de fase. Ao longo do percurso, as ondas são superpostas em modos variáveis. A superposição em qualquer localidade dá as probabilidades de cada tipo de neutrino ser encontrado. As probabilidades variam de uma localidade a outra, elas oscilam, e os neutrinos aparecem em suas diferentes identidades. Esse comportamento peculiar é, então, devido às diferenças nas massas dos neutrinos. Experimentos indicam que essas diferenças são extremamente pequenas. A massa dos neutrinos é estimada como sendo muito pequena, apesar de nunca ter sido medida diretamente.
O Modelo Padrão da física de partículas resistiu e passou em todos os desafios experimentais por mais de 20 anos. Mas, o modelo requer que os neutrinos não tenham massa. Ficou óbvio que o Modelo Padrão não pode ser uma teoria completa sobre o funcionamento dos constituintes fundamentais do universo.
Várias questões importantes sobre a natureza do neutrino precisam ser respondidas antes que novas teorias para além do Modelo Padrão possam ser completamente desenvolvidas. Quais são as massas dos neutrinos? Por que eles são tão leves? Existem outros tipos além dos três já conhecidos? Os neutrinos são suas próprias antipartículas? Por que eles são tão diferentes das outras partículas elementares?