A cerca de 2 quilómetros abaixo da superfície, longe do ruído da radiação cósmica, investigadores conseguiram finalmente apanhar neutrinos solares a fazerem algo concreto: transformar carbono-13 em azoto-13.
É a primeira vez que esta rara reação nuclear mediada por neutrinos é observada diretamente - uma prova de que estas partículas quase “intangíveis” conseguem, ainda assim, alterar a matéria de forma silenciosa, no escuro subterrâneo, muito longe do que acontece à luz do dia.
"Esta descoberta aproveita 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 deteção 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 vasto Universo. Formam-se em situações energéticas, como explosões de supernovas e a fusão atómica que ocorre nos corações das estrelas - por isso, estão praticamente por 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 exato momento, simplesmente a passar, como fantasmas. Daí serem muitas vezes chamados, com carinho, de partículas-fantasma.
Mas, de vez em quando, um neutrino acaba mesmo por colidir com outra partícula - uma batida 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 facilmente esse sinal.
É por isso que alguns dos melhores detetores de neutrinos ficam bem no subsolo, onde a própria crosta terrestre funciona como escudo contra a radiação. Aí, câmaras enormes são revestidas com fotodetetores e preenchidas com um cintilador líquido que amplifica os minúsculos sinais gerados por raras interações de neutrinos, abrindo uma “flor” de luz na escuridão total e silenciosa.
Os neutrinos produzidos no coração do Sol atravessam a Terra continuamente. As suas energias caem num intervalo bem conhecido, o que os torna relativamente fáceis de distinguir dos neutrinos atmosféricos e astrofísicos, que são muito mais energéticos e bem menos comuns. À profundidade de 2 quilómetros do detetor SNO+ do SNOLAB, quase todos os eventos nesta banda de energia têm 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 neutrinos com carbono-13 no fluido cintilador.
Quando um neutrino eletrónico solar atinge um núcleo de carbono-13, a colisão provoca duas coisas. A primeira é a produção de um eletrão, uma partícula com carga negativa, à medida que o núcleo atómico absorve o neutrino.
Dentro do núcleo do átomo de carbono existem 13 partículas: seis protões com carga positiva e sete neutrões neutros. A interação fraca desencadeada pelo neutrino converte um desses neutrões num protão, emitindo um eletrão.
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 formado - um isótopo radioativo instável do azoto com uma meia-vida de, acertaste, 10 minutos - decai, emitindo um anti-eletrão característico, ou positrão.
O resultado desta interação, do início ao fim, é um clarão distintivo em dois passos, conhecido como coincidência retardada. Na prática, os investigadores conseguem procurar um eletrão seguido de um positrão 10 minutos depois, 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 passarem esses candidatos pelo modelo estatístico, estimaram 5,6 transmutações carbono-azoto impulsionadas por neutrinos. Isso 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 enormes distâncias até chegarem ao nosso detetor."
O resultado é entusiasmante. Confirmar previsões teóricas é sempre gratificante, porque indica que a ciência está no caminho certo.
Também fornece uma nova medição da probabilidade desta reação específica de baixa energia entre neutrinos e carbono. Ou seja, estabelece uma nova referência para a física nuclear que será útil em estudos futuros.
"Os neutrinos solares têm sido um tema fascinante de estudo há muitos anos, e as medições feitas 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, pela primeira vez, podemos usá-los 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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