Neutrinos: os estranhos do ninho

Bruno Carneiro da Cunha
03/10/2016

Detetor principal do observatório de neutrinos de Sudbury, nos EUA. [1]
Detetor principal do observatório de neutrinos de Sudbury, nos EUA. [1]
Em setembro de 2011, o laboratório OPERA, localizado em Gran Sasso d’Italia, divulgou um comunicado de imprensa sobre a detecção de neutrinos que se moveriam mais rápido que a luz. A ideia de que alguma coisa pudesse se mover superluminosamente repercutiu por toda a comunidade acadêmica: se fosse verdade, o edifício da física inteiro do século XX teria de ser demolido e reconstruído. Toda uma visão de mundo teria de ser refeita.

Em junho de 2012, depois de várias centenas de manuscritos publicados no servidor arXiv.org sobre o tema, o diretor de pesquisa do OPERA, Sergio Bertolucci declarou que o resultado sobre os neutrinos estava errado devido a “falhas do equipamento”. Um cabo de fibra óptica mal-conectado.

Diz-se do modelo padrão de partículas que é o modelo teórico mais bem sucedido jamais montado pela humanidade. A hipérbole talvez seja apropriada: as ideias de invariância de calibre [2] e quebra espontânea de simetria para colocar em ordem os mais diversos fenômenos catalogados até então nos aceleradores de partículas. Mais: predições foram feitas, novas partículas previstas e prêmios Nobel distribuídos.

Tudo começou, contudo, com a tentativa, nos anos 1930, de explicar o decaimento beta. Este é um tipo de decaimento radioativo onde é ejetado um elétron (ou pósitron), e é muito comum, sendo por exemplo utilizado na datação via carbono 14. Nos anos 1930, com o advento dos primeiros aceleradores de partículas, viu-se que a radiação beta advinha do então proposto nêutron, que decaía em um próton e um elétron. Duas propriedades deste decaimento eram um mistério: a primeira era que o tempo de vida média do processo era de cerca de 880 s — uma eternidade para os processos atômicos; a segunda era que o elétron emitido não tinha uma velocidade fixa, como era predito pela lei da conservação da energia.

Destes resultados experimentais, W. Pauli  — o mesmo do princípio da exclusão — conjecturou que a aparente violação da conservação da energia era devida à produção de uma partícula não-detectada, com carga neutra. Diz a lenda que, após uma análise rápida, Edoardo Amaldi teria concluído que tal partícula teria de ter uma massa muito pequena, ou mesmo nula, e exclamou: “questo non è un neutrone, questo è davvero un neutrino!”. O batismo foi contemporâneo ao marco da física teórica italiana, com os “ragazzi di via Panisperna” [3] — Enrico Fermi, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, fundando a famosa escola de física teórica da Universidade de Roma La Sapienza. Enrico Fermi, uma dessas figuras fulcrais na física da primeira metade do século XX, acabou por formalizar as interações que regiam a produção de neutrinos, que hoje chamamos de força nuclear fraca. Não menos importante foi a descoberta pelo grupo em 1934 dos nêutrons lentos, fato que tornaria possível a construção de reatores — e bombas — nucleares.

Oscar D’Agostino, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti e Enrico Fermi, I ragazzi de via Panisperna. [4]
Oscar D’Agostino, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti e Enrico Fermi, I ragazzi de via Panisperna. [4]
Dois outros egressos da escola em Roma também desempenharam um papel preponderante na física dos neutrinos: Ettore Majorana e Bruno Pontecorvo. Dois personagens controversos, seguiram carreiras distintas. Majorana ficou famoso por modelar o neutrino com as mesmas ferramentas teóricas usadas por Dirac para o elétron — em particular modelando o fato de ele poder ter massa mesmo sem ter carga elétrica. Sua carreira meteórica foi abreviada quando ele desapereceu sem deixar rastros em 1938 em uma viagem de barco entre Palermo e Nápoles. Literalmente deixou um bilhete e partiu.

Bruno Pontecorvo foi, por outro lado, um gênio realizado. Com o advento dos primeiros reatores nucleares, na década de 1930, foi instrumental para a criação dos primeiros detetores de neutrinos. A detecção foi afinal conseguida por Frederick Reynes e Clyde Cowan nos EUA em 1953, mas mantida em segredo por tanto tempo pelo DOE (Departamento de Energia) americano que o prêmio Nobel pela descoberta só veio em 1995, quando Cowan já havia falecido. Pontecorvo participou, maneira direta ou indireta, de todas as grandes descobertas na área: a ideia de que o decaimento beta pode ser invertido, gerando nêutrons a partir de prótons, princípio fundamental por trás dos detetores; a ideia de que poderia haver mais de um tipo de neutrino, descoberta agraciada com o prêmio Nobel em 1988 (para Leon Lederman, Melvin Schwartz e Jack Steinberger); e a ideia de que neutrinos poderiam mudar seu tipo com o passar do tempo, fenômeno chamado de oscilação e cuja verificação experimental foi agraciada com o prêmio Nobel em 2015 (para Takaaki Kajita e Arthur McDonald). Pontecorvo deixou a Itália em 1938 com o advento do fascismo, e, comunista convicto, emigrou em 1950 para a união soviética com o conhecimento instrumental numa época de dissuasão nuclear: neutrinos são a assinatura indelével de explosões nucleares, mesmo as secretas.

Hoje a tecnologia da detecção de neutrinos continua importante politicamente: China, Índia e África do Sul têm projetos de detetores de alto padrão, equiparáveis aos ativos Sudbury National Observatory, nos EUA, o Super Kamiokande no Japão e o OPERA, citado. O surgimento da mistura de neutrinos, que é sinal inequívoco de sua massa pode ser sinal de um mecanismo de geração de massa distinto do usual para o modelo padrão, que usa o bóson de Higgs. O neutrino pode ser exatamente o tipo de partícula proposta por Majorana, um lépton (como o elétron) com massa mas sem carga, a depender da verificação experimental do decaimento beta duplo. Finalmente, a deteção acurada de neutrinos é fator importante para modelos estelares — incluindo o “modelo padrão para o Sol” — bem como fenômenos astrofísicos e cosmológicos.

Há muita física ainda a ser aprendida, e assim muitas razões, para além das  políticas, para se montarem detetores.

Isto, de certa forma, explica o porquê do impacto dos resultados do OPERA na comunidade de físicos: foi de certa forma a primeira medida da velocidade da luz usando meios que não dependem diretamente da força eletromagnética. Não temos a priori nenhuma razão para acreditar que a força fraca — ou a forte, ou a gravitação — tenha a mesma velocidade de propagação que a força eletromagnética. O fato de isto ser verdade é presumido em todas as teorias desde o surgimento da relatividade, mas só está verdadeiramente sendo testado agora.

[1] Crédito da imagem: SNO. URL: http://www.sno.phy.queensu.ca/sno/images/publicity_photos/index.html.

[2] Adaptação fantástica do físico brasileiro José Leite Lopes ao original anglo-francês “gauge”.

[3] Título também dado a um filme de 1989, dirigido por Gianni Amelio.

[4] Crédito da imagem: domínio público. URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ragazzi_di_via_Panisperna.jpg.

Como citar este artigo: Bruno Carneiro da Cunha. Neutrinos: os estranhos do ninho. Saense. URL: http://www.saense.com.br/2016/10/neutrinos-os-estranhos-do-ninho/. Publicado em 03 de outubro (2016).

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Bruno Carneiro da Cunha

Doutor em Física. Professor da Universidade Federal de Pernambuco. Escreve sobre Física de Partículas Elementares no Saense.

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