Neutrinos "camaleões" rendem Nobel de Física 2015

Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald, laureados com o Nobel de Física 2015. Fonte: Nobel Prize.

Soube do resultado do Nobel de Física 2015 hoje pelo rádio, pouco antes da 7h da manhã, quando subia a serra rumo a Poços de Caldas, MG, onde leciono às terças-feiras. Mais uma vez a Física de Partículas levou o caneco! Acabei de chegar de volta à minha cidade e, por isso mesmo, ainda não havia escrito nada sobre a premiação. Mas vamos lá!

O Nobel de Física 2015 será dividido entre Takaaki Kajita, pesquisador japonês, e Arthur B. McDonald, pesquisador canadense. Ambos deram contribuições-chave para a "descoberta das oscilações dos neutrinos que comprovam que eles têm massa". E cada um receberá quase 2 milhões de reais.

No momento que você está lendo esse post, não percebe mas está sendo atravessado por uma chuva de milhões de neutrinos. Mas não se preocupe! Eles são inofensivos. E o atravessam assim como furam as paredes do local onde você está e até mesmo o planeta Terra inteiro. É que os neutrinos, partículas elementares neutras e de massa minúscula, interagem muito pouco com a matéria. E aí está o problema: se interagem pouco, são de difícil detecção e estudo! Mas Kajita e McDonald usaram dois experimentos bastante sensíveis e desenhados para essa finalidade. E juntos comprovaram que os três tipos ou "sabores" de neutrinos (neutrino do elétron, neutrino do tau e neutrino do muon) são como camaleões que podem mudar de aparência, transformando-se espontaneamente uns nos outros, num fenômeno conhecido como oscilação de neutrinos. E de quebra comprovaram que neutrinos têm massa minúscula, mas não nula.

Os três tipos de neutrino "trocam de roupa", ou seja, oscilam mudando a identidade. Fonte: Nobel Prize.

Kajita, no Super-Kamiokande, estudou os neutrinos presentes na atmosfera.

Super-Kamiokande. Fonte: Nobel Prize.

O Super-Kamiokande é um detector gigantesco construído a 1.000 metros abaixo da superfície da Terra. É constituído por um tanque de 40 m de altura que contém  50.000 toneladas de água puríssima. A água é tão pura que feixes de luz podem viajar 70 metros através do meio líquido antes que sua intensidade seja reduzida pela metade. Numa piscina comum isso acontece em poucos metros. Mais de 11.000 detectores de luz estão localizados em volta de todo o tanque com a missão de "ver", ampliar e medir flashes de luz da radiação Cherenkov¹ que surge quando um neutrino colide com uma molécula de água no tanque e uma partícula carregada é criada. Analisando a radiação Cherenkov¹ é possível saber o tipo de neutrino que a causou e de onde ele veio. Os neutrinos do muon que chegaram ao Super-Kamiokande de cima eram mais numerosos do que aqueles que viajaram por todo o globo terrestre, indicando que os neutrinos viajantes tiveram mais tempo para mudar de identidade.

McDonald, no SNO – Sudbury Neutrino Observatory, estudou os neutrinos provenientes do Sol e descobriu que eles não desapareciam no caminho até a Terra mas apenas trocavam de identidade.

Sudbury Neutrino Observatory. Fonte: Nobel Prize.

O SNO também é subterrâneo e fica encravado na rocha a 2100 m abaixo da superfície da Terra. Ele detecta neutrinos do elétron provenientes do Sol bem como os outros tipos de neutrinos. Os neutrinos reagem com a água pesada² no tanque e, assim como no Super-Kamiocande, dão origem a uma partícula carregada viajando rapidamente no meio originam um flash de radiação Cherenkov¹ que é detectado e analisado. No SNO, tantos os neutrinos do elétron quanto os outros dois tipos de neutrinos podem ser "vistos". E por essa técnica descobriu-se que os neutrinos do elétron compareciam em menor quantidade enquanto outros tipos de neutrinos predominavam. A conclusão foi que alguns dos neutrinos do elétron oscilavam, trocando de identidade.

Vale lembrar que os neutrinos ficaram bastante populares na mídia entre setembro de 2011 e o início de 2012. É que num experimento peculiar, em que viajavam por dentro da Terra numa distância de pouco mais de 700 km entre a Suíça e a Itália, pareciam ultrapassar c, a velocidade da luz no vácuo³, algo impossível segundo as leis da Física. Mas os cientistas estavam medindo neutrinos superluminais e não conseguiam entender se havia um erro em algum ponto do experimento ou se estavam diante de uma descoberta bombástica que abalaria as estruturas da Física. Para desespero do grupo de pesquisas, descobriram depois de meses que havia um erro experimental provocado por mau contato num dos cabos do complexo equipamento que fazia a sincronização com GPS.

1 – Radiação Cherenkov é a radiação eletromagnética que surge quando uma partícula carregada atravessa um meio eletricamente isolante com velocidade maior do que a velocidade da luz naquele mesmo meio.
2 – Água pesada é o óxido de deutério, cuja fórmula é ²H₂O. Tem propriedades semelhantes à da água comum, H₂O. Mas tem um deutério no lugar de cada hidrogênio. O deutério é um isótopo mais pesado do hidrogênio que tem no núcleo, além do próton, também um nêutron.
3 – A velocidade da luz no vácuo vale aproximadamente c = 300 000 km/s.

Para saber mais

• Prize Announcement
• Press release
• Popular Sciense Backdround (PDF)
• Advanced Information (PDF)
• Todos os laureados com o Nobel de Física desde 1901.

Já publicado aqui no Física na Veia!

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• Um pouco da história dos neutrinos (post de 01/02/2005)