Nobel de Física premia pesquisas que evidenciaram a massa do neutrino


Sexta-feira, 9 de outubro de 2015, às 17h52


Duas décadas depois da descoberta das oscilações dos neutrinos, que mostrou que essas partículas possuem massa, os dois principais responsáveis pela façanha, o japonês Takaaki Kajita, da Super-Kamiokande Collaboration, da Universidade de Tóquio, e o canadense Arthur McDonald, da Sudbury Neutrino Observatory Collaboration da Queen’s University, foram contemplados com o prêmio Nobel de Física de 2015. O anúncio oficial da premiação ocorreu em 6 de outubro.

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP

Em dois experimentos independentes, Kajita e McDonald demonstraram que os neutrinos podem mudar de identidade – ou de “sabor”, conforme o jargão da física de partículas. Isto é, um tipo de neutrino pode se transformar em outro. E, para que tal mudança ocorra, é preciso que a partícula tenha massa. O chamado Modelo Padrão da Física de Partículas considerava até então que o neutrino não possuía massa.

A importância da descoberta para o avanço do conhecimento é enorme, porque, depois do fóton (a partícula da interação eletromagnética), o neutrino é o objeto mais abundante do Universo, descontada a matéria escura (da qual quase nada se sabe).

 

O detector Super-Kamiokande, no Japão. Localizado 1.000 metros abaixo do solo, o equipamento é constituído por um tanque de aço inoxidável com 50 mil toneladas de água. E cerca de 11 mil sensores. Nele foi realizado e experimento que deu o Nobel a Kajita. Foto:Kamioka Observatory/ICRR/University of Tokyo

O detector Super-Kamiokande, no Japão. Localizado 1.000 metros abaixo do solo, o equipamento é constituído por um tanque de aço inoxidável com 50 mil toneladas de água. E cerca de 11 mil sensores. Nele foi realizado e experimento que deu o Nobel a Kajita. Foto:Kamioka Observatory/ICRR/University of Tokyo

 

Além disso, diferentemente do fóton, o neutrino quase não interage com a matéria. Por isso a Terra recebe e é atravessada regularmente por trilhões de neutrinos sem que percebamos: neutrinos que foram produzidos nos primeiros tempos do Universo; neutrinos provenientes de fontes extragalácticas; neutrinos gerados no interior das estrelas, entre elas, o Sol; e neutrinos resultantes do choque de raios cósmicos com a atmosfera terrestre.

“Os neutrinos têm, por assim dizer, o dom da ubiquidade. E são os mensageiros dos confins do espaço e dos primórdios do tempo, fornecendo informações preciosas sobre a estrutura do Universo. Graças à descoberta das oscilações por Kajita e McDonald, o estudo dos neutrinos é hoje um dos ramos mais dinâmicos da Física, mobilizando pesquisadores que trabalham com partículas e com Cosmologia, com o micro e o macro”, disse Renata Zukanovich Funchal, professora titular do Departamento de Física Matemática do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP), à Agência FAPESP.

Especializada no estudo da fenomenologia de oscilações de neutrinos, Funchal participa do Projeto Temático “Fenomenologia de física de partículas”, apoiado pela FAPESP. E coordena a participação brasileira no projeto europeu “Invisibles – Neutrinos, Dark Matter and Dark Energy Physics”, do qual Kajita também participa como coordenador da equipe japonesa.

A primeira partícula hipotética da física

Para avaliar o alcance da descoberta que resultou agora no Nobel, é preciso recuar várias décadas. O neutrino foi a primeira partícula da Física que teve sua existência postulada teoricamente, muito antes da descoberta experimental. Tal postulação foi feita pelo austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) em 1930, para explicar a conservação da energia durante o evento nuclear conhecido como “decaimento beta”.

No decaimento beta, o núcleo atômico, que não tem elétrons, emite um elétron. Sabe-se hoje que isso resulta da transmutação de um nêutron em um próton, com a liberação do elétron. Mas, para que a energia final do processo seja igual à energia inicial, como exige a lei da conservação da energia, é preciso que o núcleo emita também outro tipo de partícula além do elétron.

Essa partícula extra proposta por Pauli, que parecia um simples artifício, foi inicialmente encarada com ceticismo pela comunidade científica. Mas o italiano Enrico Fermi (1901-1954) a levou a sério. E, em 1932, atribuiu-lhe o nome de neutrino, que significa “pequeno nêutron” em italiano. O brasileiro Mário Schenberg (1914-1990), que trabalhou com Fermi na juventude, foi um dos primeiros a utilizar operacionalmente tal ideia, por meio da qual fechou o balanço energético da explosão das estrelas supernovas.

A existência do neutrino foi finalmente confirmada em um experimento conduzido pelos norte-americanos Clyde Cowan e Frederick Reines em 1956. Em 1995, essa descoberta experimental foi contemplada com o Prêmio Nobel, que Reines recebeu, em seu nome e no de Cowan, falecido em 1974.

“No Modelo Padrão, 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 três neutrinos: o do elétron, o do múon e o do tau”, informou Funchal. “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 japonês Takaaki Kajita e o canadense Arthur McDonald dividem o prêmio. Suas descobertas provocaram uma grande revisão da física de partículas, da descrição dos processos estelares e da cosmologia. Foto: Divulgação / Fapesp

O japonês Takaaki Kajita e o canadense Arthur McDonald dividem o prêmio. Suas descobertas provocaram uma grande revisão da física de partículas, da descrição dos processos estelares e da cosmologia. Foto: Divulgação / Fapesp

 

Mudança de “sabor”

A hipótese da oscilação, isto é, da mudança de “sabor” por meio da qual um neutrino se transforma em outro foi a resposta encontrada para uma grave anomalia que se tornou conhecida com o desenvolvimento dos processos experimentais. Essa anomalia foi constatada já no final da década de 1960, em um experimento realizado na mina de Homestake, nos Estados Unidos. Destinado a detectar e contar os neutrinos do elétron provenientes do Sol recebidos no local, o experimento mostrou que esse número era apenas um terço do esperado. Era como se os neutrinos solares estivessem desaparecendo.

“Na verdade, o ocorrido foi uma mudança de sabor. Mas isso não se sabia na época. O neutrino e suas propriedades foram sendo descobertos aos poucos. Apesar de extremamente abundantes, e de estarem presentes por toda parte desde o início do universo, ignoramos por muito tempo sua existência. Os neutrinos estão para a física de partículas assim como os micróbios para a medicina. Durante milênios interagimos com os micróbios sem saber que eles existiam”, comentou Funchal.

Foi essa anomalia entre o número de neutrinos esperado e o número de neutrinos contabilizado que motivou, nos anos 1990, o experimento Super-Kamiokande, coordenado por Kajita. Esse experimento, realizado em um detector gigantesco, com 50 mil toneladas de água, foi desenhado para medir neutrinos solares (resultantes nos processos de fusão nuclear que ocorrem no núcleo do Sol) e também neutrinos atmosféricos (resultantes do choque dos raios cósmicos com as partículas existentes na atmosfera terrestre).

“O extraordinário no experimento do Super-Kamiokande é que ele tem direcionalidade. O detector é capaz de medir neutrinos a partir da direção da qual provêm, desde os neutrinos vindos da posição acima do detector até os neutrinos vindos do outro lado da Terra”, afirmou Funchal.

“A grande surpresa foi descobrir que o número de neutrinos variava com a direção. Isso também podia ser interpretado como uma dependência em relação à distância. Porque os neutrinos atmosféricos que vêm de cima do detector têm que percorrer cerca de 15 quilômetros (que é a altitude na qual os raios cósmicos interagem com a atmosfera) enquanto que os neutrinos provenientes do outro lado da Terra têm que percorrer 15 quilômetros mais 12 mil quilômetros (que é o tamanho do diâmetro da Terra)”.

A descoberta feita pelos japoneses podia ser muito bem explicada pela oscilação do neutrino do múon em um outro tipo de neutrino, na época ainda não observado: o neutrino do tau. Esse resultado foi apresentado por Kajita em uma conferência realizada no Japão em 1998. “Ele não apenas chefiou o experimento como fez a análise dos resultados obtidos”, relatou a pesquisadora.

Depois disso, foi realizado o experimento do McDonald para explicar a anomalia descoberta em Homestake, no final da década de 1960, na contagem dos neutrinos solares. “Este novo experimento foi realizado na mina de Sudbury, no Canadá, que, aliás, pertence atualmente à empresa Vale do Rio Doce. Ele foi concebido especialmente para medir neutrinos solares. E observou a transformação de neutrinos do elétron (os únicos produzidos nas reações de fusão nuclear do Sol) em neutrinos do múon e neutrinos do tau”, detalhou Funchal.

A primeira implicação dessas duas descobertas, a do Super-Kamiokande e a de Sudbury, é que o neutrino tem massa. Uma massa extremamente pequena e que ainda não se sabe quanto vale, mas que existe. A segunda implicação é que se trata de um fenômeno quântico, da escala subatômica, que está sendo observado a partir de efeitos macroscópicos, por meio de detectores enormes.

“Além disso, como o neutrino têm o dom da ubiquidade e é produzido pelos mais variados processos, as descobertas de Kajita e McDonald provocaram um enorme interesse pelos neutrinos e uma reavaliação de tudo o que se sabia sobre o papel deles na física de partículas, nos processos estelares, na evolução do universo etc. Todas essas teorias foram revisitadas desde então. Ainda não podemos prever consequências tecnológicas. Mas nada impede que isso possa ocorrer no futuro”, concluiu Funchal.

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