Os neutrinos estão entre as partículas mais enigmáticas conhecidas pela ciência e são frequentemente chamados de ‘partículas fantasma’ porque raramente interagem com a matéria. Trilhões passam por cada pessoa a cada segundo sem deixar qualquer marca. Essas partículas são geradas durante reações nucleares, incluindo aquelas no núcleo do Sol. Suas interações extremamente fracas tornam-nas excepcionalmente desafiadoras de estudar. Apenas alguns materiais já foram demonstrados como capazes de responder a neutrinos solares. Os cientistas agora adicionaram mais um a essa curta lista ao observar neutrinos converterem átomos de carbono em nitrogênio dentro de um grande detector subterrâneo.
Essa conquista veio de um projeto liderado por pesquisadores de Oxford utilizando o detector SNO+, que se encontra a dois quilômetros de profundidade no SNOLAB, em Sudbury, Canadá. O SNOLAB opera dentro de uma mina ativa e proporciona o blindagem necessária para bloquear raios cósmicos e radiação de fundo que, de outra forma, sobrecarregaria as delicadas medições de neutrinos.
Capturando um Raro Flash em Duas Partes do Carbono-13
A equipe de pesquisa concentrou-se na detecção de momentos em que um neutrino de alta energia atinge um núcleo de carbono-13 e o converte em nitrogênio-13, uma forma radioativa de nitrogênio que decai aproximadamente dez minutos depois. Para identificar esses eventos, confiaram em uma técnica de ‘coincidência atrasada’ que busca por dois surtos de luz relacionados: o primeiro do neutrino atingindo o núcleo de carbono-13 e o segundo do decaimento de nitrogênio-13 vários minutos depois. Esse sinal emparelhado torna possível distinguir com confiança os verdadeiros eventos de neutrinos do ruído de fundo.
Em um período de 231 dias, de 4 de maio de 2022 a 29 de junho de 2023, o detector registrou 5,6 desses eventos. Isso corresponde às expectativas, que previam que 4,7 eventos ocorreriam devido a neutrinos solares durante esse período.
Uma Nova Janela para Compreender Como o Universo Funciona
Os neutrinos se comportam de maneiras incomuns e são fundamentais para entender como as estrelas operam, como a fusão nuclear se desenrola e como o universo evolui. Os pesquisadores afirmam que essa nova medição abre oportunidades para futuros estudos de outras interações de neutrinos de baixa energia.
O autor principal, Gulliver Milton, um estudante de doutorado no Departamento de Física da Universidade de Oxford, disse: “Capturar essa interação é uma conquista extraordinária. Apesar da raridade do isótopo de carbono, conseguimos observar sua interação com neutrinos, que nasceram no núcleo do Sol e viajaram longas distâncias para alcançar nosso detector.”
O co-autor Professor Steven Biller (Departamento de Física, Universidade de Oxford) acrescentou: “Os neutrinos solares têm sido um assunto intrigante de estudo por muitos anos, e as medições feitas por nosso experimento predecessor, SNO, levaram ao Prêmio Nobel de Física de 2015. É notável que nossa compreensão dos neutrinos do Sol avançou tanto que agora podemos usá-los pela primeira vez como um ‘feixe de teste’ para estudar outros tipos de reações atômicas raras!”
Construindo sobre o Legado do SNO e Avançando na Pesquisa de Neutrinos
SNO+ é um sucessor do experimento anterior SNO, que demonstrou que os neutrinos mudam entre três formas conhecidas como neutrinos elétrons, múons e tau enquanto viajam do Sol para a Terra. De acordo com a cientista do pessoal do SNOLAB, Dr. Christine Kraus, as descobertas originais do SNO, lideradas por Arthur B. McDonald, resolveram o antigo problema dos neutrinos solares e contribuíram para o Prêmio Nobel de Física de 2015. Esses resultados pavimentaram o caminho para investigações mais profundas sobre como os neutrinos se comportam e sua importância no universo.
“Essa descoberta utiliza a abundância natural de carbono-13 dentro do scintilador líquido do experimento para medir uma interação específica e rara,” disse Kraus. “Até onde sabemos, esses resultados representam a observação de neutrinos de mais baixa energia em interações com núcleos de carbono-13 até hoje e fornecem a primeira medida direta da seção transversal para essa reação nuclear específica no estado fundamental do núcleo de nitrogênio-13 resultante.”