Longe da luz do dia - a milhares de metros de profundidade, no silêncio das rochas - os cientistas apanharam finalmente neutrinos solares em flagrante a transformar carbono-13 em azoto-13.
É a primeira vez que esta rara reação nuclear mediada por neutrinos é observada diretamente, mostrando como algumas das partículas mais esquivas do Universo conseguem, ainda assim, alterar a matéria de forma discreta, bem abaixo da superfície.
"Esta descoberta aproveita a abundância natural de carbono-13 no cintilador líquido do experimento para medir uma interação específica e rara", afirma a física Christine Kraus, do SNOLAB, o observatório de neutrinos no Canadá onde foi feita a deteção.
"Que saibamos, estes resultados representam a observação de menor energia de interações de neutrinos com 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 energéticos, 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 partículas que encontram. Neste exato momento, centenas de milhares de milhões de neutrinos atravessam o seu corpo, passando como se nada fosse. 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 incrivelmente ténue e uma cascata de outras partículas. O problema é que, à superfície da Terra, os raios cósmicos e a radiação de fundo tornam esse sinal difícil de distinguir.
Daí que alguns dos melhores detetores de neutrinos estejam instalados bem debaixo de terra, 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 produzidos por interações raras de neutrinos, a florescerem numa escuridão total e silenciosa.
Neutrinos forjados no coração do Sol atravessam a Terra continuamente. As suas energias encaixam num intervalo bem conhecido, o que torna mais simples separá-los dos neutrinos atmosféricos e astrofísicos, que são muito mais energéticos e bastante menos comuns. À profundidade de 2 quilómetros do detetor SNO+ do SNOLAB, quase todos os eventos nessa banda de energia têm origem solar.
Liderada pelo físico Gulliver Milton, da Universidade de Oxford (Reino Unido), a equipa analisou minuciosamente 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 neutrino 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.
No 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 aumentado 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, sim, 10 minutos - decai, emitindo um anti-eletrão revelador, ou positrão.
O resultado, do início ao fim, é um lampejo característico em dois passos conhecido como coincidência atrasada. Essencialmente, os investigadores podem procurar um eletrão seguido, 10 minutos mais tarde, por um positrão, 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 candidatos pelo modelo estatístico, estimaram 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 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.
Além disso, fornece uma nova medição da probabilidade desta reação específica de baixa energia entre neutrino e carbono. Isto estabelece um novo referencial para a física nuclear que será útil em estudos futuros.
"Os neutrinos solares têm sido um tema intrigante de estudo há muitos anos, e as medições feitas pelo nosso experimento predecessor, o SNO, conduziram ao Prémio Nobel da Física de 2015", afirma o físico Steven Biller, da Universidade de Oxford.
"É notável que a nossa compreensão dos neutrinos vindos do Sol tenha avançado tanto que agora conseguimos 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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