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O que são neutrinos e como podemos medir sua massa?

O neutrino, a mais estranha (e mais leve) das partículas subatômicas, requer enormes equipamentos para que sua massa e propriedades sejam desvendadas.
Experimento KATRIN para medição de neutrinos.

Espectrômetro principal do Experimento Karlsruhe Trítio de Neutrinos (KATRIN). Crédito: divulgação/site KATRIN

De todas as partículas elementares no Universo, neutrinos podem ser a mais estranha. Algumas vezes chamadas de “partículas fantasma”, esses misteriosos e diminutos pacotes de energia não possuem carga elétrica, quase nenhuma massa e existem em pelo menos três variedades distintas. Novas pesquisas estão trazendo a ciência mais perto do entendimento de sua natureza — desde do seu tamanho até suas propriedades fundamentais. 

Os neutrinos são incrivelmente pequenos. Com a massa de menos de 0,8 elétron-volt cada, eles são “centenas de milhares de vezes mais leves do que a segunda partícula de menor massa, o elétron”, afirma Kathrin Valerius, pesquisadora de astropartículas no Instituto de Tecnologia Karlsruhe na Alemanha. 

Eles também são quase onipresentes. Dezenas de trilhões de neutrinos atravessam nosso corpo a cada segundo, a maior parte com origem no Sol. Mas, devido ao seu tamanho pequeno e ausência de carga elétrica, eles raramente interagem com nossos tecidos — ou com qualquer outra coisa. “Durante toda a sua vida, se apenas um neutrino interagir com seu corpo, então você tem sorte”, afirma Sowjanya Gollapinni, física experimental de partículas do Laboratório Nacional de Los Angeles. 

Físicos teóricos ainda sabem relativamente pouco sobre neutrinos, apesar de saberem de sua existência por quase um século. Em 1930, o importante físico Wolfgang Pauli estava pensando sobre um problema aparentemente insolúvel. Em diversos experimentos, físicos da época notaram um erro contábil ao observar o decaimento beta, processo pelo qual alguns átomos radioativos se transformam em outros elementos. Ao invés de ser emitida através de elétrons, uma pequena parcela da energia do átomo em decaimento estava, aparentemente, desaparecendo. 

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Essa observação violava a primeira lei da termodinâmica, que afirma que energia não pode ser criada ou destruída. Dessa forma, Pauli propôs o que ele descreveu como uma “solução desesperada”: um novo tipo de partícula fundamental pequena e sem carga elétrica que era emitida junto de elétrons e corresponderia a energia desaparecida. Assim surgiu o conceito do neutrino. 

A partícula neutra de Pauli foi confirmada apenas em 1956 em um experimento que provou sua existência — mas não seu tamanho. A teoria previa que os neutrinos não teriam absolutamente nenhuma massa.

Mas, em 2015, os físicos Takaaki Kajita, da Universidade de Tóquio (Japão), e Arthur McDonald, da Universidade Queen em Ontario (Canadá), ganharam o prêmio Nobel de Física por sua pesquisa, que provava que essas partículas possuíam massa — ainda que não soubessem o valor. Em meados dos anos 2000, o Experimento Mainz da Massa do Neutrino, na Alemanha, estabeleceu o valor máximo em 2,3 elétron-volts. E, no começo de 2022, dados do Experimento Karlsruhe Trítio de Neutrinos (KATRIN), também na Alemanha, estabeleceram o limite entre 0,7 e 0,9 elétron-volt. 

Uma medição tão precisa como essa requer equipamentos muito sensíveis — e também muito grandes. O espectrômetro de 200 toneladas do KATRIN e seus 70 metros de tubos de vácuo ultra alto são capazes de alcançar temperaturas mínimas de -270,15°C e máximas de 250°C, permitindo que os pesquisadores detectem bilhões de partículas. 

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As temperaturas extremamente baixas mantém os superímãs altamente sensíveis frios o suficiente para gerar um forte campo magnético que permite que os detectores capturem partículas individuais. O experimento também pode aumentar a temperatura quando precisar de limpeza. Valerius, que trabalha no projeto, o descreve como “um grande forno de pizza”.

No entanto, até mesmo esse arranjo não consegue detectar as elusivas partículas fantasma diretamente. Ao invés disso, o espectrômetro mede a energia dos elétrons que são emitidos junto de neutrinos por um isótopo radioativo de hidrogênio. A energia máxima desses elétrons já é conhecida; medir a massa dos neutrinos é apenas uma questão de subtrair a energia dos elétrons — o que restar corresponde a essas partículas.

Atualmente, outros pesquisadores estão desenvolvendo novos experimentos para avançar nosso entendimento dos neutrinos. Um deles, chamado de Experimento de Neutrinos nas Profundezas (Deep Underground Neutrino Experiment), ou DUNE, busca entender outras das propriedades misteriosas dessas partículas: como elas oscilam, ou mudam de tipo. 

Há três variedades de neutrinos: elétron, múon e tau. Mas essas identidades não são fixas. “Um neutrino pode surgir como uma certa variedade, mas, enquanto ele viaja, pode mudar para outra”, explica Gollapinni, que é parte da colaboração do DUNE. “É como mudar sua identidade.”

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Por exemplo, alguns neutrinos elétrons do Sol se transformam em neutrinos múon e tau antes de alcançar a Terra. Para entender por que e como essas mudanças ocorrem, o DUNE vai observar um feixe de neutrinos enquanto viaja por quase 1300 km debaixo da terra, da instalação central do experimento no Laboratório Nacional Acelerador Fermi em Batavia, Illinois, até o Laboratório Nacional Subterrâneo Stanford, na Dakota do Sul. 

Os pesquisadores esperam que experimentos como esses irão contribuir para desvendar grandes questões cosmológicas, como a natureza da matéria escura (que pode ser uma quarta, ainda não detectada, variedade de neutrino chamada de “neutrino estéril”), como se formam buracos negros e até mesmo a origem da matéria. “A colaboração KATRIN fez um ótimo trabalho”, afirma Anthony Ezeribe, físico de partículas na Universidade de Sheffield, na Inglaterra, e integrante do DUNE. Mas, “ainda há muito trabalho pela frente”.

Valerius concorda. E, como muitos outros cientistas, está animada pelo vasto potencial de pesquisa contido nessa partícula. “Nosso entendimento, ou falta de entendimento, do neutrino não está completo”, afirma. “Ainda nem sabemos o que não sabemos.”

Joanna Thompson

Publicado originalmente no site da Scientific American dos EUA em 15/06/2022; aqui em 21/06/2022.

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