Um neutrino é uma partícula elementar que é muito semelhante a um elétron, mas não possui carga elétrica. Tem uma massa muito pequena, que pode até ser zero. A velocidade do neutrino também depende da massa. A diferença no tempo de chegada da partícula e da luz é de 0,0006% (± 0,0012%). Em 2011, durante o experimento OPERA, descobriu-se que a velocidade dos neutrinos excede a velocidade da luz, mas a experiência independente não confirmou isso.
A Partícula Elusiva
Esta é uma das partículas mais comuns do universo. Uma vez que interage muito pouco com a matéria, é incrivelmente difícil de detectar. Elétrons e neutrinos não participam de interações nucleares fortes, mas participam igualmente de interações nucleares fracas. Partículas com essas propriedades são chamadas de léptons. Além do elétron (e sua antipartícula, o pósitron), os léptons carregados incluem o múon (200 massas de elétrons), o tau (3.500 massas de elétrons) e suas antipartículas. Eles são chamados assim: elétron-, múon- e tau-neutrinos. Cada um deles tem um componente antimaterial chamado antineutrino.
Múon e tau, como um elétron, têm partículas que os acompanham. Estes são os neutrinos múon e tau. Os três tipos de partículas são diferentes uns dos outros. Por exemplo, quando os neutrinos do múon interagem com um alvo, eles sempre produzem múons, nunca tau ou elétrons. Na interação de partículas, embora elétrons e elétron-neutrinos possam ser criados e destruídos, sua soma permanece in alterada. Este fato leva à divisão dos léptons em três tipos, cada um com um lépton carregado e um neutrino que o acompanha.
Detetores muito grandes e extremamente sensíveis são necessários para detectar esta partícula. Normalmente, os neutrinos de baixa energia viajam muitos anos-luz antes de interagir com a matéria. Consequentemente, todos os experimentos terrestres com eles dependem da medição de sua pequena fração interagindo com gravadores de tamanho razoável. Por exemplo, no Observatório de Neutrinos de Sudbury, contendo 1.000 toneladas de água pesada, cerca de 1.012 neutrinos solares por segundo passam pelo detector. E apenas 30 por dia são encontrados.
Histórico de descobertas
Wolfgang Pauli postulou pela primeira vez a existência de uma partícula em 1930. Um problema surgiu na época porque parecia que a energia e o momento angular não eram conservados no decaimento beta. Mas Pauli observou que se uma partícula neutra de neutrinos não interagentes for emitida, então a lei da conservação da energia será observada. O físico italiano Enrico Fermi desenvolveu a teoria do decaimento beta em 1934 e deu o nome à partícula.
Apesar de todas as previsões, durante 20 anos os neutrinos não puderam ser detectados experimentalmente devido à sua fraca interação com a matéria. Como as partículas não são eletricamentecarregados, não são afetados por forças eletromagnéticas e, portanto, não causam ionização da matéria. Além disso, eles reagem com a matéria apenas por meio de interações fracas de força desprezível. Portanto, são as partículas subatômicas mais penetrantes, capazes de passar por um grande número de átomos sem causar nenhuma reação. Apenas 1 em 10 bilhões dessas partículas, viajando através da matéria a uma distância igual ao diâmetro da Terra, reage com um próton ou nêutron.
Finalmente, em 1956, um grupo de físicos americanos liderados por Frederick Reines anunciou a descoberta do elétron-antineutrino. Em seus experimentos, os antineutrinos emitidos por um reator nuclear interagiram com prótons para formar nêutrons e pósitrons. As assinaturas de energia únicas (e raras) desses subprodutos mais recentes fornecem evidências da existência da partícula.
A descoberta de léptons múon carregados tornou-se o ponto de partida para a identificação posterior do segundo tipo de neutrino - múon. Sua identificação foi realizada em 1962 com base nos resultados de um experimento em um acelerador de partículas. Neutrinos muônicos de alta energia foram produzidos pelo decaimento dos mésons pi e enviados ao detector de forma que suas reações com a matéria pudessem ser estudadas. Embora não sejam reativos, como outros tipos dessas partículas, descobriu-se que nas raras ocasiões em que reagem com prótons ou nêutrons, os múons-neutrinos formam múons, mas nunca elétrons. Em 1998, os físicos americanos Leon Lederman, Melvin Schwartz e Jack Steinbergerrecebeu o Prêmio Nobel de Física pela identificação do múon-neutrino.
Em meados da década de 1970, a física de neutrinos foi reabastecida com outro tipo de léptons carregados - tau. O neutrino tau e o antineutrino tau estavam associados a este terceiro lépton carregado. Em 2000, físicos do National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi relatou a primeira evidência experimental da existência deste tipo de partícula.
Massa
Todos os tipos de neutrinos têm uma massa muito menor que a de seus equivalentes carregados. Por exemplo, experimentos mostram que a massa do elétron-neutrino deve ser menor que 0,002% da massa do elétron e que a soma das massas das três espécies deve ser menor que 0,48 eV. Por muitos anos, parecia que a massa de uma partícula era zero, embora não houvesse nenhuma evidência teórica convincente de por que isso deveria ser assim. Então, em 2002, o Observatório de Neutrinos de Sudbury forneceu a primeira evidência direta de que os neutrinos de elétrons emitidos por reações nucleares no núcleo do Sol mudam de tipo à medida que viajam por ele. Tais "oscilações" de neutrinos são possíveis se um ou mais tipos de partículas tiverem alguma massa pequena. Seus estudos da interação dos raios cósmicos na atmosfera da Terra também indicam a presença de massa, mas são necessários mais experimentos para determiná-la com mais precisão.
Fontes
Fontes naturais de neutrinos são o decaimento radioativo de elementos nas entranhas da Terra, em queuma grande corrente de elétrons-antineutrinos de baixa energia é emitida. As supernovas também são um fenômeno predominantemente de neutrinos, pois somente essas partículas podem penetrar no material superdenso produzido em uma estrela em colapso; apenas uma pequena parte da energia é convertida em luz. Os cálculos mostram que cerca de 2% da energia do Sol é a energia dos neutrinos produzidos em reações de fusão termonuclear. É provável que a maior parte da matéria escura no universo seja composta de neutrinos produzidos durante o Big Bang.
Problemas de física
Os campos relacionados aos neutrinos e astrofísica são diversos e em rápido desenvolvimento. As questões atuais que atraem um grande número de esforços experimentais e teóricos são as seguintes:
- Quais são as massas dos diferentes neutrinos?
- Como eles afetam a cosmologia do Big Bang?
- Eles oscilam?
- Os neutrinos de um tipo podem se transformar em outro enquanto viajam através da matéria e do espaço?
- Os neutrinos são fundamentalmente diferentes de suas antipartículas?
- Como as estrelas colapsam e formam supernovas?
- Qual é o papel dos neutrinos na cosmologia?
Um dos problemas de longa data de particular interesse é o chamado problema dos neutrinos solares. Este nome refere-se ao fato de que durante vários experimentos terrestres realizados nos últimos 30 anos, menos partículas foram observadas de forma consistente do que o necessário para produzir a energia emitida pelo sol. Uma de suas possíveis soluções é a oscilação, ou seja, a transformação deneutrinos em múons ou tau enquanto viajam para a Terra. Como é muito mais difícil medir neutrinos de múon ou tau de baixa energia, esse tipo de transformação pode explicar por que não observamos o número correto de partículas na Terra.
Quarto Prêmio Nobel
O Prêmio Nobel de Física de 2015 foi concedido a Takaaki Kajita e Arthur McDonald pela descoberta da massa de neutrinos. Este foi o quarto prêmio relacionado a medições experimentais dessas partículas. Alguns podem se perguntar por que devemos nos preocupar tanto com algo que mal interage com a matéria comum.
O próprio fato de podermos detectar essas partículas efêmeras é uma prova da engenhosidade humana. Como as regras da mecânica quântica são probabilísticas, sabemos que, embora quase todos os neutrinos passem pela Terra, alguns deles irão interagir com ela. Um detector grande o suficiente para detectar isso.
O primeiro dispositivo desse tipo foi construído nos anos sessenta em uma mina em Dakota do Sul. A mina foi abastecida com 400 mil litros de fluido de limpeza. Em média, uma partícula de neutrino todos os dias interage com um átomo de cloro, transformando-o em argônio. Incrivelmente, Raymond Davis, responsável pelo detector, criou uma maneira de detectar esses poucos átomos de argônio e, quatro décadas depois, em 2002, ele recebeu o Prêmio Nobel por esse feito técnico incrível.
Nova Astronomia
Como os neutrinos interagem tão fracamente, eles podem viajar grandes distâncias. Eles nos dão a oportunidade de olhar para lugares que de outra forma nunca veríamos. Os neutrinos descobertos por Davis foram produzidos por reações nucleares que ocorreram no centro do Sol, e foram capazes de escapar desse lugar incrivelmente denso e quente apenas porque dificilmente interagem com outra matéria. É até possível detectar um neutrino voando do centro de uma estrela explodindo a mais de cem mil anos-luz da Terra.
Além disso, essas partículas permitem observar o universo em uma escala muito pequena, muito menor do que o Grande Colisor de Hádrons em Genebra, que descobriu o bóson de Higgs, pode observar. É por esta razão que o Comitê Nobel decidiu conceder o Prêmio Nobel pela descoberta de mais um tipo de neutrino.
Desaparecido Misterioso
Quando Ray Davis observou neutrinos solares, ele encontrou apenas um terço do número esperado. A maioria dos físicos acreditava que a razão para isso era um conhecimento pobre da astrofísica do Sol: talvez os modelos do interior da estrela superestimassem o número de neutrinos produzidos nela. No entanto, ao longo dos anos, mesmo com a melhoria dos modelos solares, a escassez persistiu. Os físicos chamaram a atenção para outra possibilidade: o problema pode estar relacionado à nossa compreensão dessas partículas. De acordo com a teoria então predominante, eles não tinham massa. Mas alguns físicos argumentaram que as partículas realmente tinham um tamanho infinitesimal.massa, e essa massa foi o motivo de sua escassez.
Partícula de três faces
De acordo com a teoria das oscilações de neutrinos, existem três tipos diferentes de neutrinos na natureza. Se uma partícula tem massa, à medida que se move, ela pode mudar de um tipo para outro. Três tipos - elétron, múon e tau - ao interagir com a matéria podem ser convertidos na partícula carregada correspondente (elétron, múon ou tau lépton). "Oscilação" ocorre devido à mecânica quântica. O tipo de neutrino não é constante. Ele muda com o tempo. Um neutrino, que começou sua existência como um elétron, pode se transformar em um múon e depois voltar. Assim, uma partícula formada no núcleo do Sol, a caminho da Terra, pode periodicamente se transformar em um múon-neutrino e vice-versa. Como o detector Davis só conseguia detectar neutrinos de elétrons capazes de levar à transmutação nuclear de cloro em argônio, parecia possível que os neutrinos desaparecidos tivessem se transformado em outros tipos. (Acontece que os neutrinos oscilam dentro do Sol, não a caminho da Terra.)
Experiência canadense
A única maneira de testar isso era construir um detector que funcionasse para todos os três tipos de neutrinos. Desde a década de 1990, Arthur McDonald, da Queen's Ontario University, liderou a equipe que fez isso em uma mina em Sudbury, Ontário. A instalação continha toneladas de água pesada emprestada do governo canadense. A água pesada é uma forma rara, mas natural, de água na qual o hidrogênio, contendo um próton,substituído por seu isótopo mais pesado deutério, que contém um próton e um nêutron. O governo canadense estocou água pesada porque é usada como refrigerante em reatores nucleares. Todos os três tipos de neutrinos poderiam destruir o deutério para formar um próton e um nêutron, e os nêutrons foram então contados. O detector registrou cerca de três vezes o número de partículas em comparação com Davis - exatamente o número que foi previsto pelos melhores modelos do Sol. Isso sugeriu que o elétron-neutrino poderia oscilar em seus outros tipos.
Experiência Japonesa
Na mesma época, Takaaki Kajita, da Universidade de Tóquio, estava fazendo outro experimento notável. Um detector instalado em uma mina no Japão registrou neutrinos vindos não das entranhas do Sol, mas da atmosfera superior. Quando prótons de raios cósmicos colidem com a atmosfera, chuvas de outras partículas são formadas, incluindo neutrinos de múons. Na mina, eles transformaram núcleos de hidrogênio em múons. O detector Kajita pode ver partículas vindo em duas direções. Alguns caíram de cima, vindos da atmosfera, enquanto outros se moveram de baixo. O número de partículas era diferente, o que indicava sua natureza diferente - elas estavam em pontos diferentes de seus ciclos de oscilação.
Revolução na ciência
É tudo exótico e incrível, mas por que oscilações e massas de neutrinos atraem tanta atenção? A razão é simples. No modelo padrão da física de partículas desenvolvido nos últimos cinquenta anos do século XX,que descrevia corretamente todas as outras observações em aceleradores e outros experimentos, os neutrinos não deveriam ter massa. A descoberta da massa do neutrino sugere que algo está f altando. O Modelo Padrão não está completo. Os elementos ausentes ainda precisam ser descobertos, seja através do Grande Colisor de Hádrons ou de outra máquina ainda a ser criada.
