Neutrinos: uma introdução Understand article

Tradução de M.ª da Conceição Abreu. O que há de comum entre a deriva dos continentes, as centrais nucleares e as supernovas? Neutrinos, como explica Susana Cebrián.

O que são neutrinos?

Neutrinos, significa ‘pequenas coisas neutras’ e estão por todo o lado. Estas minúsculas partículas elementares viajam no espaço com uma velocidade muito próxima da velocidade da luz e não têm carga elétrica. Pensou-se mesmo que não teriam massa, mas agora os cientistas pensam que têm de facto massa; calcula-se que essa massa seja inferior a um bilionésimo da massa do átomo de hidrogénio, mas a investigação ainda está em curso^w1.

A existência dos neutrinos, uma das partículas mais abundantes no Universo, foi primeiro postulada pelo físico austríaco Wolfgang Pauli em 1930, para explicar as observações do declínio radioactivo beta. Só com a construção das primeiras centrais nucleares se atingiu, a partir do declínio dos produtos de fragmentação, fluxos suficientemente elevados de neutrinos (na realidade da sua anti partícula, os anti neutrinos; para mais informações sobre anti partículas ver Landua & Rau, 2008) o que permitiu confirmar a sua existência. Em 1956, Clyde Cowan e Frederick Reines construíram dois grandes tanques subterrâneos, cheios de água, a apenas alguns metros da central nuclear de Savannah River perto de Aiken, Carolina do Sul, USA, nos quais os anti neutrinos interagiam com os protões da água (ver diagrama). Esta experiência deu a Frederick Reines o Prémio Nobel da Física em 1955^w2. Clyde Cowan não partilhou o prémio porque faleceu em 1974.

Os neutrinos apresentam-se em três tipos ou sabores, segundo o modelo padrão da física de partículas (ver imagem abaixo): neutrino do eletrão, neutrino do muão e neutrino do tau, os quais já foram todos experimentalmente confirmados. Pela deteção do neutrino do muão Leon M Lederman, Melvin Schwartz e Jack Steinberger receberam o Prémio Nobel da Física em 1988^w2.

Foi proposto um quarto tipo, ‘estéril’, o qual é imune à força fraca do modelo padrão, o que é suportado por dados recentes, incluindo cálculos rigorosos sobre as medidas feitas em 1980 no Instituto Laue-Langevin^w3 em Grenoble, França (Hand, 2010; Reich, 2011). Se fossem encontrados os neutrinos estéreis, seria aberto um novo horizonte na física para além do modelo padrão.

Mesmo os três tipos de neutrinos confirmados têm algo de especial: podem oscilar de um sabor para outro – os neutrinos do eletrão, muão ou tau podem transformar-se uns nos outros. Este fenómeno foi observado pela primeira vez em 1998 na experiência japonesa do Super-Kamiokande^w4, na qual se descobriu que os neutrinos do muão gerados na atmosfera ‘desapareciam’, presumivelmente na forma de neutrinos do tau. Uma experiência recente observou este tipo de acontecimento da outra perspectiva – o aparecimento de um neutrino tau em vez do desaparecimento de um neutrino do muão: depois de três anos durante os quais foi emitido um feixe de neutrinos do muão gerados no CERN^w5 em Genève, Suíça, foi detetado um neutrino tau em 2010 pelo detetor OPERA no Laboratório Nacional do Gran Sasso^w6 em Itália , situado a 730 km de Genève. (ver imagem abaixo).

A deteção das oscilações resolveu também um mistério velho de 40 anos: os cientistas medem muito menos neutrinos do eletrão solares do que esperavam. Em 2001, o Observatório dos Neutrinos Solares^w7 no Canadá demonstrou que eles se transformam em neutrinos de outros sabores durante a viagem até à terra (Bahcall, 2004). Estão em curso experiências para analisar as oscilações do neutrino, por exemplo em França e no Japão onde aceleradores e centrais nucleares fornecem grande número de neutrinos para o estudo^w8.

De onde vêm os neutrinos?

Os primeiros neutrinos foram gerados há cerca de 14 mil milhões de anos (14 x 10⁹), 10^-43 segundos depois do Big Bang. Apenas um segundo mais tarde eles já se moviam rapidamente para fora do resto da sopa quente e densa de outras partículas primárias; os cientistas ainda procuram neutrinos provenientes do Big Bang

É a fraca interação dos neutrinos com a matéria que faz com que seja quase impossível detetá-los, mas também é isso que os torna atraentes para os cientistas. Ao contrário da maioria das outras partículas, os neutrinos escapam de regiões muito densas como seja o núcleo do Sol ou da Via Láctea, e podem viajar desde galáxias distantes sem serem absorvidos, transportando informação sobre a sua origem. Assim, os neutrinos são mensageiros cósmicos, e a astronomia dos neutrinos está a revelar-se cada vez mais importante.

Até hoje, só foram observadas duas fontes de neutrinos extra terrestres: o Sol e as supernovas. Raymond Davis Jr e Masatoshi Koshiba venceram em 2002 o terceiro Prémio Nobel atribuído a trabalhos sobre neutrinos^w2 pela deteção de neutrinos solares e de supernovas. Tal como as outras estrelas, o Sol emite neutrinos do eletrão em várias etapas do processo em que núcleos leves se fundem em núcleos mais pesados (ver imagem abaixo e para saber mais, ver Westra, 2006, e Boffin & Pierce-Price, 2007); mais de 10¹⁰ neutrinos solares atingem em cada segundo, um centímetro quadrado da Terra. Ao contrário dos fotões, que levam 100 000 anos a viajar do centro do Sol até à fotoesfera exterior antes de rapidamente viajarem para a terra, os neutrinos libertados na mesma fusão levam apenas 8 minutos a fazerem a mesma viagem. É por isso que os neutrinos solares são mensageiros úteis para dar informação sobre o processo de fusão no interior do Sol, como por exemplo a composição do núcleo^w9.

Os neutrinos das supernovas são o resultado da morte violenta de algumas estrelas, que explodem e produzem ainda mais neutrinos do que fotões (ver Székely & Benedekfi, 2007): em 1987, vários detetores registaram um sinal anormalmente forte (vários eventos em poucos segundos, contrariamente à frequência usual de um por dia), atribuído a neutrinos da supernova SN1987A situada na Grande Nuvem de Magalhães. Para permitir aos astrónomos estarem preparados para observar estes eventos, vários detetores de neutrinos encontram-se hoje ligados entre si, constituindo o Sistema Precoce de Alerta de Supernovas^w10, porque durante as explosões estelares, os neutrinos são libertados antes dos fotões que os astrónomos tentam detetar.

Os astrónomos, não são os únicos cientistas interessados em detetores de neutrinos: Na Terra, existem fontes de neutrinos quer naturais, quer artificiais: os materiais radioativos no interior da Terra sofrem declínio beta produzindo geo neutrinos. Além disso, os reatores nucleares de fissão produzem neutrinos, e os aceleradores de partículas também são usados como fontes de neutrinos para a investigação. Os neutrinos interessam aos físicos de partículas, que os estudam, mas também aos geofísicos e talvez até aos políticos (ver ‘Neutrinos as nuclear police’ e ‘Powering Earth’).

Finalmente, quando os raios cósmicos atingem a atmosfera da Terra, são emitidos neutrinos atmosféricos no declínio de piões e muões. Esta intensa fonte natural de neutrinos que chegam à Terra é o desespero dos astrónomos de neutrinos (ver abaixo, ‘Como detetar neutrinos’) porque estão interessados em detetar os neutrinos que vêm do espaço exterior, mas por outro lado dá aos físicos de neutrinos outros meios para estudar as suas partículas favoritas.

Como detetar neutrinos

Os neutrinos são muito úteis para estudar fenómenos astronómicos e cosmológicos, e em todo o mundo estão a construir-se detetores de neutrinos a grande profundidade para eliminar o ‘ruído’ de outras partículas. O recém concluído IceCube^w11 é o maior detetor construído até hoje: um quilómetro cúbico de gelo no Pólo Sul, é usado como telescópio para pesquisar os neutrinos que vêm de fontes astrofísicas (ver imagem abaixo). Quando um neutrino colide com um protão do gelo da Antártida liberta-se um muão. Como qualquer partícula carregada que viaje com maior velocidade que a luz num dado meio (contudo menor que a velocidade da luz no vácuo), o muão gera um rasto cónico de luz azul – radiação de Cherenkov, o equivalente fotónico da onda de choque supersónica. Este fenómeno também se pode observar em alguns reatores nucleares.

Milhares de sensores óticos, colocados numa grelha tridimensional a uma profundidade de 1.5 –2.5 km, detetam esta luz; combinando a informação de vários sensores é possível determinar a energia do neutrino e a direção donde vem. Para distinguir os muões provenientes de neutrinos cósmicos dos milhões de outros muões produzidos pelos raios cósmicos na atmosfera acima do detetor, o IceCube usa a Terra como filtro, só observando os muões que vêm do subsolo. Os neutrinos são as únicas partículas que atravessam a Terra sem interagir, por isso temos a garantia de que qualquer muão que venha de baixo foi gerado recentemente no detetor a partir de um neutrino cósmico.

Outros detetores usam materiais e estratégias diferentes – mas todos põem no trajecto dos neutrinos todo o material que for possível para tentar que interajam e assim revelem a sua presença.

Neutrinos como polícia nuclear

A deteção de armas e materiais nucleares é importante por várias razões incluindo a prevenção da proliferação nuclear e o terrorismo. Os cientistas estão a propor que detetores de anti neutrinos de um metro cúbico podem ser usados de modo não intrusivo para monitorizar e proteger os reatores nucleares^w12.

Atualmente os reatores são monitorizados indiretamente (por exemplo usando satélites, emissão de gás e poeiras, assinaturas sísmicas e de infra sons para testes de armas), o que pode conduzir a conclusões erradas. Detetores de neutrinos dariam informação em tempo real sobre a potência dos reatores, inclusive sobre a composição isotópica do núcleo. Uma matriz de aproximadamente 500 detetores espalhados pelo mundo permitiria o cálculo da potência de cada reator e a deteção de testes clandestinos de armas nucleares.

Fornecendo energia à Terra

Os neutrinos também são detetados em geofísica. O declínio radioativo do urânio, tório e potássio existentes na crusta terrestre e no manto sustenta o fluxo de material fundido em correntes convetivas, que condicionam a deriva dos continentes, o alargamento do fundo do mar, erupções vulcânicas e sismos.

Existem diversos modelos para o declínio, dependentes da constituição da crusta terrestre. Os geo neutrinos emitidos no declínio podem ajudar a dar resposta sobre a composição da crusta. Os geo neutrinos foram detetados pela primeira vez na experiência KamLAND^w13 no Japão, em 2005, embora a abundância de centrais nucleares naquele país limite muito os estudos uma vez que os anti neutrinos por elas emitidos têm assinaturas energéticas muito semelhantes aos geo neutrinos. Em 2009, um grupo internacional do Projecto Borexino^w6, ^w14 teve mais êxito porque à volta da experiência existem poucas centrais nucleares, fazendo com que se consiga um número de geo neutrinos com significado estatístico para determinar as quantidades relativas de urânio, tório e potássio.

Durante a leitura deste artigo cerca de 10 000 000 000 000 000 neutrinos passaram por ti sem dares por nada. Muito pequeno, mas com poder para confirmar ou rejeitar muitas teorias científicas

Agradecimentos

As editoras agradecem os conselhos do Dr Christian Buck, físico de neutrinos do Max-Planck-Institut für Kernphysik (Instituto Max Planck de Fisica Nuclear), Heidelberg, Alemanha.

References

• Bahcall J (2004) Solving the mystery of the missing neutrinos. Nobelprize.org. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/bahcall
• Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusion in the Universe: we are all stardust. Science in School 4: 61-63.
• Hand E (2010) Hunt for the sterile neutrino heats up. Nature 464: 334-335. doi: 10.1038/464334a
  • Descarregar aqui o artigo gratuitamente ou subscrever hoje na Nature: www.nature.com/subscribe
• Landua R, Rau M (2008) LHC: um passo mais na direcção do Big Bang. Science in School 10: 26-33.
• Reich ES (2011) The amazing disappearing antineutrino. Nature. doi: 10.1038/news.2011.202
• Székely P, Benedekfi O (2007) Fusion in the Universe: when a giant star dies… Science in School 6: 64-68.
• Westra MT (2006) Fusion in the Universe: the power of the Sun. Science in School 3: 60-62.

Web References

• w1 – Cientistas da University College of London estimaram a massa do neutrino: www.ucl.ac.uk/news/news-articles/1006/10062204
  • Espera-se que as medidas mais rigorosas venham da experiência KATRIN, em Karlsruhe, Alemanha: www-ik.fzk.de/~katrin
• w2 – Leitura sobre as experiências de Cowan e Reines em: http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?00326606.pdf
  • Para saber mais sobre os Prémios Nobel da Física em 1988, 1995 e 2002, ver: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates
• w3 – No Instituto Laue-Lagevin existe uma das fontes de neutrões mais intensas do mundo. O Instituto é membro do EIROforum, e editor da Science in School. Ver: www.ill.eu
• w4 – Para mais informação sobre a experiência japonesa Super-Kamiokande, ver: www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html
• w5 – Para saber mais sobre o CERN, o maior laboratório de física das partículas e um dos membros do EIROforum, o editor da Science in School, ver: www.cern.ch
  • Para ler mais nas informações de imprensa do CERN sobre o êxito da deteção da mudança do neutrino do muão em neutrino do tau, ver: http://public.web.cern.ch/press ou usar a ligação: http://tinyurl.com/64cvhr5
  • Ou ver o vídeo sobre o tópico: www.youtube.com/watch?v=M3aB_zUZ1c8
• w6 – O Laboratório Nacional do Gran Sasso, no Abruzzo perto de L’Aquila, Itália, é o maior laboratório mundial subterrâneo para experiências de física de partículas, astropartículas e astrofisica nuclear, inclui as experiências OPERA e Borexino. Para saber mais, ver: www.lngs.infn.it
• w7 – Para mais informação sobre a experiência do Solar Neutrino Observatory no Canadá, ver: www.sno.phy.queensu.ca
• w8 – Em França e no Japão, foram instalados detetores para estudo mais aprofundado da oscilação dos neutrinos. Ver: http://doublechooz.in2p3.fr and http://jnusrv01.kek.jp
• w9 – Para encontrar mais informação sobre a investigação em curso sobre neutrinos solares, ver: http://arxiv.org/pdf/0811.2424
• w10 – O Sistema de alerrta percoce de supernovas pode ser encontrado em: http://snews.bnl.gov
• w11 – Para mais informação sobre os projectos de investigação em curso para o IceCube, ver: http://icecube.wisc.edu
  • Olivier Hainaut do Observatório Europeu do Sul (ESO), o observatório astronómico mais produtivo do mundo, que é membro do EIROforum, no Ano Internacional da Astronomia, em 2009, falou com os cientistas do IceCube durante 24-h no webcast ao vivo ‘Around the world in 80 telescopes’, Comece a ver o vídeo a partir do minuto 1:27: www.eso.org/public/videos/10msouthpole
  • Sobre o sítio do ESO, ver: www.eso.org
  • Mais recursos de astronomia, ver:Starr C, Harwood R (2009) Education resources for the International Year of Astronomy. Science in School 13.
• w12 – Para saber mais sobre como detetar reatores de fissão secretos recorrendo aos neutrinos, ver: http://physicsworld.com/cws/article/news/44411
• w13 – Se desejar conhecer melhor a experiência KamLAND no Japão, ver: http://kamland.lbl.gov
• w14 – Para encontar as últimas notícias sobre a experiência Borexino: http://borex.lngs.infn.it

Resources

• A Booster Neutrino Experiment and Interactions.org tem publicado bons cadernos de revisão sobre neutrinos, estão disponíveis gratuitamente na internet. Ver: www-boone.fnal.gov/about/nusmatter (Neutrinos Matter) e www.interactions.org/pdf/neutrino_pamphlet.pdf (Neutrino Odyssey)
• O sítio do projecto IceCube tem uma ótima atividade para o ensino sobre ‘neutrinos pipoca’, com a qual os alunos podem investigar os conceitos ligados ao declínio beta. Ver: www.icecube.wisc.edu ou usar a ligação direta: http://tinyurl.com/45ytuq7
• Slides de três palestras para estudantes sobre a investigação em neutrinos, disponíveis em alemão, ver: www.mpi-hd.mpg.de/hfm/wh/pams/PamS0708.htm
• Particle Adventure é uma divertida viagem online ao mundo da física das partículas: http://particleadventure.org
• O Projeto Educação em Física Contemporânea disponibiliza a alunos e professores fichas de trabalho em Inglês ou Espanhol com atividades sobre física de partículas em sala de aula, inclui uma sobre leis de conservação, seguindo a pista de Pauli para postular o neutrino (Atividade 5). Ver: www.cpepweb.org/Class_act.html
• O Conselho de Ciência e Tecnologia do UK compilou um guia para ensinar física de partículas. Ver: www.stfc.ac.uk/Public and Schools/2563.aspx

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Author(s)

Susana Cebrián é professora na Universidade de Zaragoza, Espanha, trabalha em várias experiências no campo da física das astroparticulas no Laboratório Subterrâneo de Canfranc

Review

Os neutrinos são partículas estranhas – pequenas mas fascinantes, Este artigo descreve de modo acessível e com bons exemplos a sua origem, propriedades e deteção. É uma boa leitura básica para os professores de física mas pode igualmente ser um bom ponto de partida para a elaboração de projetos por parte dos alunos sobre este tópico ou para motivar discussões, por exemplo sobre física de partículas em geral, modelo padrão, física de detetores, CERN, astrofísica ou radiação.

O artigo é útil essencialmente para ser usado em aulas de física mas também contém ligações às ciências da terra. Para o tópico também ser acessível aos mais novos (cerca de 14 anos) aconselho o professor a selecionar algumas partes do artigo para discussão.

Gerd Vogt, Austria

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