O neutrino completa 60 anos

O Projeto Poltergeist levou à descoberta da partícula fantasma. Sessenta anos depois, os cientistas ainda se confrontam com inúmeros mistérios dos neutrinos.

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Arte: Sandbox Studio, Chicago, com Reidar Hahn

Artigo traduzido de Symmetry Magazine. Autor: Amelia Williamson Smith.

Em 1930, Wolfgang Pauli propôs a existência de uma nova pequena partícula sem carga elétrica. Foi levantada a hipótese de que a partícula fosse muito leve – ou, eventualmente, não tivesse massa – e quase nunca interagia com a matéria. Enrico Fermi mais tarde nomeou esta misteriosa partícula como “neutrino” (ou “um pouco neutro”).

Embora os neutrinos sejam extremamente abundantes, levou 26 anos para que os cientistas confirmassem sua existência. Nos 60 anos desde a descoberta do neutrino, nós lentamente aprendemos mais sobre esta partícula intrigante.

“Toda vez parece que leva uma ou duas décadas para os cientistas criarem experimentos para começar a sondar a próxima propriedade do neutrino”, diz Keith Rielage, pesquisador de neutrinos do Department of Energy do Los Alamos National Laboratory. “E quando conseguimos, muitas vezes ficamos coçando a cabeça porque o neutrino não age como esperamos. Assim, o neutrino tem sido uma partícula emocionante desde o início”.

Sabemos agora que há realmente três tipos, ou “sabores”, de neutrinos: elétron, múon e tau. Sabemos também que os neutrinos mudam, ou “oscilam”, entre os três tipos na medida em que viajam através do espaço. Pelo fato dos neutrinos oscilarem, sabemos que eles devem ter massa.

No entanto, muitas questões sobre os neutrinos permanecem, e a busca pelas respostas envolve cientistas e experiências ao redor do mundo.

O mistério da energia desaparecida

Pauli pensou no neutrino ao tentar resolver o problema da conservação de energia em uma reação em particular chamada decaimento beta. O decaimento beta é a forma de um átomo instável se tornar mais estável – por exemplo, transformando um nêutron em um próton. Neste processo, um elétron é emitido.

Se o nêutron se transformasse em apenas um próton e um elétron, suas energias seriam bem definidas. No entanto, as experiências mostraram que o elétron não surge sempre com uma determinada energia – em vez disso, os elétrons mostraram uma gama de energias. Para dar conta dessa faixa, Pauli hipotetizou que uma partícula neutra desconhecida deveria estar envolvida no decaimento beta.

“Se houvesse uma outra partícula envolvida no decaimento beta, todos as três partículas iriam compartilhar a energia, mas nem sempre exatamente da mesma maneira”, diz Jennifer Raaf, pesquisador de neutrinos no Fermi National Accelerator Laboratory da DOE. “Então, às vezes você pode obter um elétron com uma alta energia e às vezes você pode obter um com uma energia baixa.”

No início de 1950, o físico Frederick Reines e seu colega Clyde Cowan se estabeleceram em Los Alamos para detectar esta pequena e neutra partícula com interação muito fraca.

Na época, os neutrinos eram conhecidos como misteriosas partículas “fantasmas” que estão ao nosso redor, mas principalmente passam direto através da matéria e tiram energia do decaimento beta. Por esta razão, a busca de Reines e Cowan para detectar o neutrino veio a ser conhecida como “Projeto Poltergeist”.

“O nome parecia lógico, porque eles estavam basicamente tentando exorcizar um fantasma”, diz Rielage.

Capturando a partícula fantasma

“A história da descoberta do neutrino é interessante, e, de certa forma, só poderia acontecer em Los Alamos”, diz Rielage.

Tudo começou no início de 1950. Trabalhando em Los Alamos, Reines liderou vários projetos de testes de armas nucleares no Pacífico, e ele estava interessado em questões fundamentais da física que poderiam ser exploradas como parte dos testes. Pensava-se que uma explosão nuclear criaria uma explosão intensa de antineutrinos, e Reines pensou em um experimento que poderia ser projetado para detectar alguns deles. Reines convenceu Cowan, seu colega em Los Alamos, a trabalhar com ele para projetar esse tipo de experimento.

A primeira ideia de Reines e Cowan foi colocar um grande detector cintilador líquido em um eixo ao lado do local de um teste atmosférico de explosão nuclear. Mas então eles tiveram uma idéia melhor – colocar o detector ao lado de um reator nuclear.

Assim, em 1953, Reines e Cowan se dirigiram ao grande reator de fissão em Hanford, Washington, com o seu detector de 300 litros apelidado de “Herr Auge” (alemão para “Sr. Olho”).

Embora Reines e Cowan tivessem detectado um pequeno aumento em sinais do tipo neutrino quando o reator estava ligado, a interferência era gigantesca. Eles não poderiam definitivamente concluir que o pequeno sinal era devido a neutrinos. Enquanto a blindagem do detector conseguia bloquear os nêutrons e raios gama do reator, ele não conseguia parar o fluxo de raios cósmicos chovendo do espaço.

Durante o ano seguinte, Reines e Cowan completamente redesenharam seu detector em uma configuração de três camadas empilhadas que lhes permitia diferenciar claramente entre um sinal de neutrino e o fundo de raios cósmicos. No final de 1955, eles pegaram a estrada novamente com seu novo detector de 10 toneladas – desta vez para o poderoso reator de fissão na Usina de Savannah River na Carolina do Sul.

Por mais de cinco meses, Reines e Cowan coletaram dados e analisaram os resultados. Em junho de 1956, eles enviaram um telegrama para Pauli. Ele dizia: “Estamos felizes de informar que definitivamente detectamos os neutrinos”.

Principais marcos na história da pesquisa dos neutrinos

1930
Wolfgang Pauli hipotetizou a existência do neutrino para explicar o problema da conservação de energia no decaimento beta.

Imagem cortesia de Bettina Katzenstein / ETH Zürich.
Imagem cortesia de Bettina Katzenstein / ETH Zürich.

1934
Enrico Fermi propôs uma teoria que inclui as partículas hipotéticas de Pauli, que ele chama de “neutrino” (italiano para “um pouco neutro”). Hans Bethe e Rudolf Peierls calcularam que a probabilidade de neutrinos interagirem com a matéria é extremamente pequena e concluíram que não haveria maneira prática de observar o neutrino.

Imagem cortesia do Departamento de Energia, Escritório de Relações Públicas.
Imagem cortesia do Departamento de Energia, Escritório de Relações Públicas.

1956
Uma equipe de cientistas liderados pelos físicos Frederick Reines e Clyde Cowan observaram a primeira evidência dos neutrinos através da detecção de antineutrinos de elétrons produzidos por um reator nuclear no Savannah River Plant.

Imagem cortesia do CERN.
Imagem cortesia do CERN.

1957
Bruno Pontecorvo hipotetizou que os neutrinos podem oscilar, ou mudar, de um tipo para outro.

Imagem cortesia de Mario De Biasi (Mondadori Publishers)
Imagem cortesia de Mario De Biasi (Mondadori Publishers)

1958
Cientistas do Brookhaven National Laboratory determinaram que os neutrinos têm sempre helicidade canhota (a direção de sua rotação é no sentido oposto do seu movimento).

Imagem cortesia do Brookhaven National Laboratory.
Imagem cortesia do Brookhaven National Laboratory.

1962
Uma equipe de cientistas liderados por Leon Lederman, Mel Schwartz e Jack Steinberger, descobriu a existência de um segundo tipo de neutrino, o neutrino do múon, em um experimento no Brookhaven National Laboratory.

Imagem cortesia de Brookhaven National Laboratory.
Imagem cortesia de Brookhaven National Laboratory.

1968
O químico Ray Davis foi o primeiro a detectar neutrinos de elétrons produzidos pelo Sol. No entanto, sua experiência na mina Homestake só detectou um terço do número de neutrinos solares previstos, levando ao “problema do neutrino solar”.

Imagem cortesia de Brookhaven National Laboratory.
Imagem cortesia de Brookhaven National Laboratory.

1973
Cientistas da colaboração Gargamelle no CERN observaram pela primeira vez a corrente neutra de dispersão de um neutrino fora de um elétron, indicando a existência de uma nova partícula transportadora de força, que mais tarde descobriu-se ser o bóson Z.

Imagem cortesia do CERN.
Imagem cortesia do CERN.

1975
A existência do neutrino tau foi postulada após Martin Perl e seus colegas do SLAC National Accelerator Laboratory detectarem o lépton tau.

Imagem cortesia do SLAC.
Imagem cortesia do SLAC.

1985
A colaboração Kamiokande no Japão com a colaboração IMB nos Estados Unidos detectou neutrinos atmosféricos, que são produzidos quando os raios cósmicos interagem com partículas na atmosfera. No entanto, as experiências detectaram uma proporção menor de neutrinos múons e neutrinos elétrons do que previsto, conduzindo à “anomalia dos neutrinos atmosféricos”.

Imagem cortesia da Universidade de Michigan.
Imagem cortesia da Universidade de Michigan.

1987
O Kamiokande e o IMB detectarem neutrinos emitidos por uma explosão estelar, Supernova 1987A, pela primeira vez.

Imagem cortesia de ESA / Hubble e NASA.
Imagem cortesia de ESA / Hubble e NASA.

1988
Leon Lederman, Mel Schwartz e Jack Steinberger foram premiados com o Prêmio Nobel de Física pela descoberta do neutrino múon.

Imagem cortesia do CERN.
Imagem cortesia do CERN.

1989
Cientistas do CERN e SLAC National Accelerator Laboratory anunciaram a evidência de que só pode haver três tipos de neutrinos (elétrons, múons e tau).

Imagem cortesia do CERN.
Imagem cortesia do CERN.

1995
Frederick Reines recebeu uma parte do Prêmio Nobel de Física pela descoberta do neutrino elétron.

1995_diagram

1998
A colaboração Super-Kamiokande no Japão anunciou a primeira evidência de oscilações de neutrinos, o que implica que os neutrinos têm massa. O experimento mostra o desaparecimento de neutrinos múon atmosféricos enquanto viajam de seu ponto de origem a um detector subterrâneo.

Imagem cortesia do Observatório Kamioka, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), da Universidade de Tóquio.

2000
Os cientistas do experimento DONUT no Fermi National Accelerator Laboratory foram os primeiros a observar o terceiro tipo de neutrino, o neutrino tau.

Imagem cortesia do Fermilab.
Imagem cortesia do Fermilab.

2001
A colaboração SNO no Canadá anuncia a primeira evidência da oscilação de neutrinos solares.

Imagem cortesia de SNO.
Imagem cortesia de SNO.

2002
A colaboração SNO anuncia evidência conclusiva da oscilação de neutrinos solares. Ray Davis e Masatoshi Koshiba receberam uma parte do Prêmio Nobel de Física pela primeira detecção de neutrinos de origem cósmica.

Imagem cortesia de SNO.
Imagem cortesia de SNO.

2004
A colaboração KamLAND no Japão anunciou evidência de reaparecimento do antineutrino do elétron durante a gravação de antineutrinos produzidos por um reator nuclear, uma indicação de oscilação do antineutrino.

Imagem cortesia da Universidade de Stanford.
Imagem cortesia da Universidade de Stanford.

2005
A colaboração KamLAND anunciou a primeira detecção de geoneutrinos, que são neutrinos produzidos no interior da Terra.

 Imagem cortesia da Universidade de Stanford.
Imagem cortesia da Universidade de Stanford.

2010
A colaboração OPERA no Laboratori Nazionali del Gran Sasso, na Itália, foi o primeiro a detectar um neutrino tau em um feixe de neutrinos múon. O neutrino múon oscilou no caminho do CERN para Gran Sasso.

Imagem cortesia de OPERA.
Imagem cortesia de OPERA.

2015
Takaaki Kajita, do experimento Super-Kamiokande, e Arthur McDonald, da experiência SNO, foram premiados com o Prêmio Nobel de Física por suas contribuições para a detecção das oscilações de neutrinos.

Imagens cortesia de Bengt Nyman.
Imagens cortesia de Bengt Nyman.

Resolvendo o próximo mistério dos neutrinos

Na década de 1960, um novo mistério envolvendo o neutrino começou – desta vez em uma mina de ouro em Dakota do Sul.

Ray Davis, químico nuclear no Brookhaven National Laboratory do DOE, tinha projetado um experimento para detectar neutrinos produzidos em reações no Sol, também conhecidos como neutrinos solares. Era um grande detector à base de cloro localizado a mais de 1 km abaixo da superfície na mina de Homestake, que protegia o experimento dos raios cósmicos.

Em 1968, o experimento Davis detectou neutrinos solares pela primeira vez, mas os resultados foram intrigantes. O astrofísico John Bahcall tinha calculado o fluxo esperado de neutrinos do Sol – isto é, o número de neutrinos que deveriam ser detectados através de uma certa área numa certa quantidade de tempo. No entanto, a experiência só detectou cerca de um terço do número de neutrinos previsto. Esta discrepância veio a ser conhecida como o “problema do neutrino solar”.

Inicialmente, os cientistas pensaram que havia um problema com o experimento de Davis ou com o modelo do Sol, mas não foram encontrados problemas. Lentamente, os cientistas começaram a suspeitar de que era realmente um problema com os neutrinos.

“Os neutrinos parecem sempre nos surpreender”, diz Rielage. “Nós pensamos que algo é muito simples, e acaba não sendo.”

Os cientistas teorizaram que os neutrinos podem oscilar, ou mudar, de um tipo para outro, à medida que viajam através do espaço. O experimento de Davis era sensível apenas à neutrinos de elétrons, por isso, se os neutrinos oscilaram e chegaram à Terra como uma mistura dos três tipos, isso explicaria por que a experiência só detectou um terço deles.

Em 1998, o experimento Super-Kamiokande no Japão detectou pela primeira vez oscilações de neutrinos atmosféricos. Então, em 2001, o Observatório de Neutrinos de Sudbury, no Canadá, anunciou a primeira evidência de oscilações de neutrinos solares, seguido por evidências conclusivas em 2002. Depois de mais de 30 anos, os cientistas foram capazes de confirmar que os neutrinos oscilam, resolvendo assim o problema do neutrino solar.

“O fato de que os neutrinos oscilam é interessante, mas a coisa importante é que ele nos diz que neutrinos deve ter massa”, diz Gabriel Orebi Gann, pesquisador de neutrino na Universidade da Califórnia, Berkeley, e do Lawrence Berkley National Laboratory do DOE e colaborador SNO. “Isso é muito importante, porque não havia nenhuma expectativa no modelo padrão que o neutrino tivesse massa.”

Mistérios além do Modelo Padrão

O Modelo Padrão – o modelo teórico que descreve as partículas elementares e suas interações – não inclui um mecanismo para neutrinos que tenham massa. A descoberta da oscilação dos neutrinos cria uma rachadura séria na imagem extremamente precisa do mundo subatômico.

“É importante vasculhar esta imagem e descobrir quais partes dela contêm testes experimentais e quais as partes ainda precisam ser preenchidas com informações adicionais”, diz Raaf.

Após 60 anos estudando os neutrinos, vários dos mistérios que permanecem poderiam fornecer janelas na física além do Modelo Padrão.

O neutrino é sua própria antipartícula?

O neutrino é a única partícula que tem o potencial de ser a sua própria antipartícula. “A única coisa que sabemos no momento para distinguir matéria de antimatéria é a carga elétrica”, diz Orebi Gann. “Assim, para o neutrino, que não tem carga elétrica, essa é uma espécie de uma pergunta óbvia – qual a diferença entre um neutrino e seu parceiro de antimatéria?”

Se o neutrino não é a sua própria antipartícula, deve haver algo diferente da carga que torna a antimatéria diferente da matéria. “No momento, não sei o que poderia ser”, diz Orebi Gann. “Seria o que chamamos de uma nova simetria.”

Os cientistas estão tentando determinar se o neutrino é a sua própria antipartícula procurando por decaimento beta duplo sem neutrinos. Estas experiências observam eventos em que dois nêutrons decaem em prótons ao mesmo tempo. O decaimento beta duplo padrão produziria dois elétrons e dois antineutrinos. No entanto, se o neutrino é a sua própria antipartícula, os dois antineutrinos poderiam se aniquilar, e apenas elétrons iria sair do decaimento.

Vários futuros experimentos irão procurar o decaimento beta duplo sem neutrinos, incluindo a experiência SNO+ no Canadá, o experimento CUORE na Laboratori Nazionali del Gran Sasso, na Itália, o experimento EXO-200 no isolamento de resíduos Planta Piloto, no Novo México, e o experimento MAJORANA no Centro de Sanford Metro Research na antiga mina Homestake em Dakota do Sul (a mesma mina em que Davis conduziu seu famoso experimento do neutrino solar).

Qual é a ordem, ou “hierarquia”, dos estados de massa do neutrino?

Sabemos que os neutrinos têm massa e que os três estados do neutrino possuem massas ligeiramente diferentes, mas não sabemos qual é o mais pesado e qual é o mais leve. Os cientistas têm o objetivo de responder a esta questão através dos experimentos que estudam a oscilação dos neutrinos na medida que atravessa longas distâncias.

Para estas experiências, um feixe de neutrinos é criado em um acelerador e enviado através da Terra para detectores distantes. Tais experimentos incluem o experimento T2K no Japão, o experimento NOVA do Fermilab e o já planejado Deep Underground Neutrino Experiment.

Qual é a massa absoluta dos neutrinos?

Para tentar medir a massa absoluta dos neutrinos, os cientistas estão voltando para a reação que sinalizou a existência do neutrino – o decaimento beta. O experimento KATRIN na Alemanha visa medir diretamente a massa do neutrino estudando o trítio (um isótopo do hidrogênio), que decai através de decaimento beta.

Há mais de três tipos de neutrinos?

Os cientistas levantaram a hipótese de outro tipo com uma interação ainda mais fraca fraca chamado neutrino “estéril”. Para procurar evidências de neutrinos estéreis, os cientistas estão estudando neutrinos que viajam em curtas distâncias.

Os cientistas do Fermilab vão usar três detectores para procurar neutrinos estéreis: o Short Baseline Neutrino Detector, o MicroBooNE e o ICARUS (detector de neutrinos que operava anteriormente em Gran Sasso). Gran Sasso também vai sediar um próximo experimento chamado SOX que irá procurar neutrinos estéreis.

Não neutrinos violam a simetria CP?

Os cientistas também estão usando experimentos para algo chamado violação de CP. Se quantidades iguais de matéria e antimatéria foram criadas no Big Bang, tudo deveria ter sido aniquilado. Mas pelo fato do universo conter matéria, algo deve ter levado à existência de mais matéria do que antimatéria. Se neutrinos violarem a simetria CP, isso poderia ajudar a explicar porque é que há mais matéria.

“Não ter todas as respostas sobre neutrinos é o que torna emocionante”, diz Rielage. “Os problemas que são deixados são um desafio, mas muitas vezes brinco que se fosse fácil, alguém já teria percebido. Mas isso é o que eu gosto nos neutrinos – nós temos que realmente pensar fora da caixa em nossa busca por respostas”.

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