Longe do ruído da superfície, a quilómetros de profundidade, uma equipa de cientistas conseguiu finalmente apanhar neutrinos solares no momento em que transformam carbono-13 em azoto-13.
É a primeira vez que se observa esta rara reacção nuclear mediada por neutrinos - uma prova de que, apesar de serem das partículas mais esquivas do Universo, conseguem ainda assim alterar discretamente a matéria, nas sombras do subsolo.
"Esta descoberta usa a abundância natural de carbono-13 no cintilador líquido do experimento para medir uma interação específica e rara", diz 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 de interações de neutrinos em núcleos de carbono-13 até à data e fornecem a primeira medição direta da secção eficaz para esta reação nuclear específica para o estado fundamental do núcleo de azoto-13 resultante."
Os neutrinos estão entre as partículas mais abundantes do grande Universo. Formam-se em situações muito energéticas, como explosões de supernovas e a fusão atómica no coração das estrelas - por isso, estão praticamente em todo o lado.
No entanto, não têm carga elétrica, a sua massa é quase nula e interagem muito pouco com as outras partículas que encontram. Centenas de milhares de milhões de neutrinos atravessam o teu corpo neste preciso momento, a passar como fantasmas. É por isso que são carinhosamente chamados de partículas-fantasma.
Mas, de vez em quando, um neutrino acaba mesmo por embater noutra partícula - uma colisão que gera um brilho extremamente ténue e uma cascata de outras partículas. O problema é que, à superfície da Terra, os raios cósmicos e a radiação de fundo mascaram esse sinal.
Daí que alguns dos melhores detectores de neutrinos estejam bem no subsolo, onde a própria crosta terrestre funciona como escudo contra a radiação. Aí, enormes câmaras são revestidas com fotodetectores e preenchidas com um cintilador líquido, que amplifica os minúsculos sinais produzidos por interações raras de neutrinos, a aparecerem na escuridão total e silenciosa.
Neutrinos forjados no interior do Sol atravessam constantemente a Terra. As suas energias ficam dentro de um intervalo bem conhecido, o que os torna relativamente fáceis de distinguir de neutrinos atmosféricos e astrofísicos, muito mais energéticos e bem menos comuns. À profundidade de 2 quilómetros (1,24 milhas) do detector SNO+ do SNOLAB, quase todos os eventos nesta banda de energia são de origem solar.
Liderada pelo físico Gulliver Milton, da Universidade de Oxford (Reino Unido), a equipa analisou 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 interação de um neutrino com carbono-13 no fluido cintilador.
Quando um neutrino eletrónico solar atinge um núcleo de carbono-13, a colisão faz duas coisas. A primeira é produzir um eletrão, uma partícula com 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 interação fraca desencadeada pelo neutrino converte um desses neutrões num protão, emitindo um eletrão.
Com a contagem de protões a subir 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 produzido - um isótopo radioativo instável do azoto com uma meia-vida de, adivinhou, 10 minutos - decai, emitindo um anti-eletrão característico, ou positrão.
O resultado desta interação, do início ao fim, é um clarão distintivo em duas etapas conhecido como coincidência atrasada. Na prática, os investigadores procuram um eletrão seguido de um positrão 10 minutos mais tarde, como assinatura de um neutrino a converter carbono-13 em azoto-13.
A partir de 231 dias de dados de observação, os investigadores identificaram 60 eventos candidatos. Ao passar esses dados por um modelo estatístico, a estimativa foi de 5,6 transmutações carbono–azoto impulsionadas por neutrinos. Isto fica bastante perto dos 4,7 eventos que esperavam encontrar.
"Capturar esta interação é uma conquista extraordinária", diz Milton. "Apesar da raridade do isótopo de carbono, conseguimos observar a sua interação com neutrinos, que nasceram no núcleo do Sol e viajaram vastas distâncias 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 reação específica, de baixa energia, entre neutrinos e carbono. Isto estabelece uma nova referência para a física nuclear, útil em estudos futuros.
"Os neutrinos solares têm sido um tema intrigante de estudo há muitos anos, e as medições destes pelo nosso experimento predecessor, o SNO, levaram 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 podemos usá-los pela primeira vez como um 'feixe de teste' para estudar outros tipos de reações atómicas raras!"
A investigação foi publicada na Physical Review Letters.
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