A milhares de metros abaixo do chão, nas profundezas ctônicas da crosta terrestre, cientistas finalmente conseguiram flagrar neutrinos solares no momento em que transformam carbono-13 em nitrogênio-13.
É a primeira vez que essa rara reação nuclear mediada por neutrinos é observada diretamente. O feito mostra como algumas das partículas mais difíceis de capturar e mais intangíveis do Universo ainda assim conseguem, em silêncio, alterar a matéria no escuro subterrâneo, bem longe da superfície.
"Esta descoberta usa a abundância natural de carbono-13 dentro do 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 a detecção foi feita.
"Até onde sabemos, estes resultados representam a observação de menor energia de interações de neutrinos em núcleos de carbono-13 até hoje e fornecem a primeira medição direta da seção de choque para esta reação nuclear específica para o estado fundamental do núcleo de nitrogênio-13 resultante."
Neutrinos solares e por que detectá-los é tão difícil
Os neutrinos estão entre as partículas mais numerosas que existem no vasto Universo. Eles surgem em cenários muito energéticos, como explosões de supernovas e a fusão atômica que ocorre no coração das estrelas - por isso, estão praticamente por toda parte.
O problema é que eles não têm carga elétrica, sua massa é quase nula e eles quase não interagem com as partículas que encontram. Centenas de bilhões de neutrinos atravessam o seu corpo neste exato momento, simplesmente passando como se fossem fantasmas. Daí o apelido carinhoso de partículas fantasma.
Mesmo assim, de vez em quando um neutrino realmente colide com outra partícula - um choque que gera um brilho extremamente tênue e uma cascata de outras partículas. Só que, na superfície da Terra, esse tipo de sinal fica encoberto por raios cósmicos e pela radiação de fundo.
É por isso que alguns dos melhores detectores de neutrinos ficam instalados em grande profundidade, onde a própria crosta terrestre funciona como escudo contra a radiação. Nesses locais, enormes câmaras são revestidas com fotodetectores e preenchidas com um cintilador líquido, que amplifica os sinais mínimos produzidos por interações raras de neutrinos, fazendo-os “florescer” na escuridão total e silenciosa.
Neutrinos gerados no interior do Sol atravessam a Terra de forma contínua. As energias deles se mantêm dentro de uma faixa bem conhecida, o que facilita separá-los dos neutrinos atmosféricos e astrofísicos, muito mais energéticos e bem menos comuns. Na profundidade de 2 quilômetros (1.24 milhas) do detector SNO+ do SNOLAB, quase todos os eventos nessa banda de energia têm origem solar.
A reação rara: carbono-13 se tornando nitrogênio-13
Sob liderança do físico Gulliver Milton, da Universidade de Oxford, no Reino Unido, a equipe analisou minuciosamente os dados do SNO+ coletados entre 4 de maio de 2022 e 29 de junho de 2023. O objetivo era encontrar um sinal específico que indicasse uma interação de neutrino com carbono-13 no fluido cintilador.
Quando um neutrino eletrônico solar atinge um núcleo de carbono-13, a colisão provoca dois efeitos. O primeiro é a produção de um elétron, uma partícula de carga negativa, no momento em que o núcleo atômico absorve o neutrino.
No núcleo do átomo de carbono existem 13 partículas: seis prótons com carga positiva e sete nêutrons sem carga. A interação fraca disparada pelo neutrino converte um desses nêutrons em próton, ao mesmo tempo em que emite um elétron.
Como o número de prótons sobe de seis para sete, o átomo deixa de ser carbono e passa a ser nitrogênio-13, que tem sete prótons e seis nêutrons.
Cerca de 10 minutos depois, o nitrogênio-13 formado - um isótopo radioativo instável do nitrogênio com meia-vida de, sim, 10 minutos - decai e emite um antielétron característico, isto é, um pósitron.
O saldo dessa interação, do início ao fim, é um clarão em duas etapas, bastante distintivo, chamado de coincidência atrasada. Em termos práticos, os pesquisadores podem procurar o padrão de um elétron e, 10 minutos depois, um pósitron, como assinatura de um neutrino convertendo carbono-13 em nitrogênio-13.
O que o SNO+ viu em 231 dias de dados
A partir de 231 dias de dados observacionais, os cientistas identificaram 60 eventos candidatos. Ao passar esses candidatos pelo modelo estatístico, a estimativa foi de 5.6 transmutações carbono-nitrogênio impulsionadas por neutrinos. Isso ficou bem próximo das 4.7 ocorrências que eles esperavam encontrar.
"Capturar esta interação é uma conquista extraordinária", diz Milton. "Apesar da raridade do isótopo de carbono, conseguimos observar sua interação com neutrinos, que nasceram no núcleo do Sol e viajaram vastas distâncias até chegar ao nosso detector."
O resultado empolga. Confirmar previsões teóricas é sempre valioso, porque indica que a ciência está seguindo na direção certa.
Além disso, o trabalho fornece uma nova medida da probabilidade dessa reação específica entre neutrinos de baixa energia e carbono. Na prática, isso estabelece uma nova referência para a física nuclear, útil para estudos futuros.
"Os neutrinos solares, por si só, têm sido um tema intrigante de pesquisa há muitos anos, e as medições deles por nosso experimento antecessor, o SNO, levaram ao Prêmio Nobel de física de 2015", afirma o físico Steven Biller, da Universidade de Oxford.
"É notável que nosso entendimento dos neutrinos vindos do Sol tenha avançado tanto que agora podemos usá-los, pela primeira vez, como um 'feixe de teste' para estudar outros tipos de reações atômicas raras!"
A pesquisa foi publicada na revista Cartas de Revisão Física.
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