Abaixo de milhares de metros de rocha, onde a luz nunca chega e o ruído do mundo lá de cima praticamente desaparece, os cientistas 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. O feito mostra como estas partículas quase impossíveis de “agarrar” conseguem, mesmo assim, alterar a matéria de forma discreta no escuro subterrâneo, longe da superfície.
"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 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 desta 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 cenários muito energéticos, como explosões de supernovas e a fusão atómica que acontece 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 mal interagem com outras partículas que encontram. Centenas de milhares de milhões de neutrinos atravessam o seu corpo neste momento, simplesmente a passar como fantasmas. É por isso que são carinhosamente chamados de partículas-fantasma.
Mas, de vez em quando, um neutrino chega mesmo a colidir com outra partícula - um choque que produz um brilho incrivelmente ténue e uma cascata de outras partículas. O problema é que são difíceis de detetar à superfície da Terra, onde os raios cósmicos e a radiação de fundo abafam o sinal.
É por isso que alguns dos melhores detetores de neutrinos ficam instalados bem no subsolo, onde a própria crosta terrestre funciona como escudo contra a radiação. Aí, enormes câmaras são revestidas com fotodetetores e preenchidas com um cintilador líquido que amplifica os sinais minúsculos gerados por estas interações raras, que “florescem” na escuridão total e silenciosa.
Os neutrinos forjados no interior do Sol atravessam constantemente a Terra. As suas energias caem num intervalo bem conhecido, o que facilita distingui-los de neutrinos atmosféricos e astrofísicos, muito mais energéticos e muito menos comuns. A cerca de 2 quilómetros de profundidade, no detetor SNO+ do SNOLAB, quase todos os eventos nessa banda de energia têm origem solar.
Liderada pelo físico Gulliver Milton, da Universidade de Oxford, no 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.
Dentro do núcleo do átomo de carbono há 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 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 radioativo instável de azoto com um tempo de meia-vida de, adivinhou, 10 minutos - decai, emitindo um anti-eletrão característico, ou positrão.
O resultado da interação, do início ao fim, é um clarão distintivo em dois passos conhecido como coincidência atrasada. Essencialmente, os investigadores podem 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 seu modelo estatístico, estimaram 5,6 transmutações carbono–azoto impulsionadas por neutrinos. Isso fica bastante próximo 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 satisfatório, porque significa que a ciência está no bom caminho.
Também fornece uma nova medição da probabilidade desta reação 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 fascinante de estudo há muitos anos, e as medições feitas pelo nosso experimento predecessor, o SNO, levaram ao Prémio Nobel de Física de 2015", diz o físico Steven Biller, da Universidade de Oxford.
"É notável que o nosso entendimento dos neutrinos do Sol tenha avançado tanto que agora os possamos usar, 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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