A vários milhares de metros sob a superfície, nas profundezas ctónicas da crusta terrestre, os cientistas conseguiram finalmente apanhar neutrinos solares em pleno acto de transformar carbono-13 em azoto-13.
É a primeira vez que esta rara reacção nuclear mediada por neutrinos foi observada, mostrando como algumas das partículas mais esquivas e intangíveis do Universo podem, ainda assim, alterar discretamente a matéria, no escuro subterrâneo, bem longe da superfície.
“Esta descoberta aproveita a abundância natural de carbono-13 no cintilador líquido da experiência para medir uma interacção específica e rara”, afirma a física Christine Kraus, do SNOLAB, o observatório de neutrinos no Canadá onde a detecção foi feita.
“Que saibamos, estes resultados representam a observação de menor energia até à data de interacções de neutrinos com núcleos de carbono-13 e fornecem a primeira medição directa da secção eficaz desta reacção nuclear específica para o estado fundamental do núcleo de azoto-13 resultante.”
Neutrinos: partículas-fantasma em todo o lado
Os neutrinos estão entre as partículas mais abundantes do vasto Universo. Formam-se em cenários altamente energéticos, como explosões de supernovas e a fusão atómica que ocorre no coração das estrelas - por isso, existem praticamente por toda a parte.
Ainda assim, não têm carga eléctrica, a sua massa é quase nula e interagem muito pouco com outras partículas que encontrem. Neste exacto momento, centenas de milhares de milhões de neutrinos atravessam o seu corpo, seguindo caminho como fantasmas. É precisamente por isso que são carinhosamente conhecidos como partículas-fantasma.
De tempos a tempos, porém, um neutrino acaba mesmo por embater noutra partícula - uma colisão que origina um brilho incrivelmente ténue e uma cascata de outras partículas. O problema é que, à superfície da Terra, é difícil distingui-los, porque os raios cósmicos e a radiação de fundo mascaram o sinal.
É por essa razão que alguns dos melhores detectores de neutrinos ficam instalados bem debaixo de terra, onde a própria crusta terrestre funciona como escudo contra a radiação. Aí, enormes câmaras, revestidas com fotodetectores e cheias de um cintilador líquido, amplificam os sinais minúsculos gerados por raras interacções de neutrinos, que “florescem” na escuridão total e silenciosa.
Neutrinos solares no SNO+ e a conversão de carbono-13 em azoto-13
Os neutrinos produzidos no coração do Sol atravessam continuamente a Terra. As suas energias situam-se num intervalo bem conhecido, o que facilita distingui-los de neutrinos atmosféricos e astrofísicos, muito mais energéticos e bastante menos comuns. A uma profundidade de 2 quilómetros (1,24 milhas), no detector SNO+ do SNOLAB, quase todos os acontecimentos nessa banda de energia são de origem solar.
Sob a liderança do físico Gulliver Milton, da Universidade de Oxford, no Reino Unido, a equipa analisou minuciosamente dados do SNO+ recolhidos entre 4 de Maio de 2022 e 29 de Junho de 2023, à procura de um sinal específico que indicasse uma interacção de um neutrino com carbono-13 no fluido cintilador.
Quando um neutrino electrónico solar atinge um núcleo de carbono-13, a colisão provoca duas coisas. A primeira é a produção de um electrão, uma partícula de carga negativa, à medida que o núcleo atómico absorve o neutrino.
No núcleo do átomo de carbono existem 13 partículas: seis protões com carga positiva e sete neutrões sem carga. A interacção fraca desencadeada pelo neutrino converte um desses neutrões num protão, emitindo um electrão.
Com o número de protões a aumentar de seis para sete, o átomo deixa de ser carbono e passa a ser azoto-13, que tem sete protões e seis neutrões.
Cerca de 10 minutos depois, o azoto-13 resultante - um isótopo radioactivo instável de azoto com um tempo de semi-vida de, acertou, 10 minutos - decai, libertando um anti-electrão revelador, ou positrão.
O produto final da interacção, do início ao fim, é um clarão característico em duas etapas, conhecido como coincidência atrasada. Na prática, os investigadores podem procurar um electrão seguido de um positrão 10 minutos mais tarde, como assinatura de um neutrino a converter carbono-13 em azoto-13.
Com base em 231 dias de dados de observação, os investigadores identificaram 60 acontecimentos candidatos. Ao processarem esses candidatos no seu modelo estatístico, estimaram 5.6 transmutações carbono-azoto induzidas por neutrinos. Isso fica, na verdade, bastante próximo dos 4.7 acontecimentos que esperavam encontrar.
“Capturar esta interacção é uma conquista extraordinária”, afirma Milton. “Apesar da raridade do isótopo de carbono, conseguimos observar a sua interacção com neutrinos, que nasceram no núcleo do Sol e percorreram distâncias imensas até chegarem ao nosso detector.”
O resultado é entusiasmante. Confirmar previsões teóricas é sempre gratificante, porque indica que a ciência está no caminho certo.
Além disso, fornece uma nova medição da probabilidade desta reacção específica entre neutrinos de baixa energia e carbono. Ou seja, estabelece uma nova referência para a física nuclear que será útil em estudos futuros.
“Os neutrinos solares têm sido, por si só, um tema de estudo fascinante há muitos anos, e as medições destes pelo nosso experimento predecessor, o SNO, conduziram ao Prémio Nobel da Física de 2015”, diz o físico Steven Biller, da Universidade de Oxford.
“É notável que a nossa compreensão dos neutrinos do Sol tenha avançado tanto que agora conseguimos usá-los, pela primeira vez, como um ‘feixe de teste’ para estudar outros tipos de reacções atómicas raras!”
A investigação foi publicada na revista Cartas de Revisão Física.
Comentários
Ainda não há comentários. Seja o primeiro!
Deixar um comentário