We are awash in neutrinos. Estão entre as mais leves das cerca de duas dúzias de partículas subatómicas conhecidas e vêm de todas as direcções: do Big Bang que iniciou o universo, das estrelas em explosão e, acima de tudo, do sol. Vêm directamente através da terra quase à velocidade da luz, a toda a hora, dia e noite, em enormes números. Cerca de 100 triliões de neutrinos passam pelos nossos corpos a cada segundo.
O problema para os físicos é que os neutrinos são impossíveis de ver e difíceis de detectar. Qualquer instrumento concebido para o fazer pode parecer sólido ao toque, mas para os neutrinos, mesmo o aço inoxidável é, na sua maioria, um espaço vazio, tão aberto como um sistema solar é para um cometa. Além disso, os neutrinos, ao contrário da maioria das partículas subatómicas, não têm carga eléctrica – são neutros, daí o nome – de modo que os cientistas não podem usar forças eléctricas ou magnéticas para os capturar. Os físicos chamam-lhes “partículas fantasmas”
Para capturar estas entidades evasivas, os físicos têm levado a cabo algumas experiências extraordinariamente ambiciosas. Para que os neutrinos não sejam confundidos com os raios cósmicos (partículas subatómicas do espaço exterior que não penetram na terra), os detectores são instalados no subsolo profundo. Enormes foram colocados em minas de ouro e níquel, em túneis debaixo de montanhas, no oceano e no gelo antárctico. Estes dispositivos estranhamente belos são monumentos à determinação da humanidade em aprender sobre o universo.
Não é claro quais as aplicações práticas que virão do estudo dos neutrinos. “Não sabemos para onde vai levar”, diz Boris Kayser, um físico teórico de Fermilab em Batavia, Illinois.
Físicos estudam neutrinos em parte porque os neutrinos são personagens tão estranhas: parecem quebrar as regras que descrevem a natureza no seu ponto mais fundamental. E se os físicos vão alguma vez concretizar as suas esperanças de desenvolver uma teoria coerente da realidade que explique as bases da natureza sem excepção, terão de prestar contas do comportamento dos neutrinos.
Além disso, os neutrinos intrigam os cientistas porque as partículas são mensageiros do exterior do universo, criadas por galáxias que explodem violentamente e outros fenómenos misteriosos. “Os neutrinos podem ser capazes de nos dizer coisas que as partículas mais húmidas não conseguem”, diz Kayser.
Físicos imaginaram neutrinos muito antes de alguma vez encontrarem algum. Em 1930, eles criaram o conceito para equilibrar uma equação que não estava a somar. Quando o núcleo de um átomo radioactivo se desintegra, a energia das partículas que emite deve ser igual à energia que originalmente continha. Mas na realidade, os cientistas observaram, o núcleo estava a perder mais energia do que os detectores estavam a captar. Assim, para contabilizar essa energia extra o físico Wolfgang Pauli concebeu uma partícula extra, invisível, emitida pelo núcleo. “Hoje fiz algo de muito mau ao propor uma partícula que não pode ser detectada”, escreveu Pauli na sua revista. “É algo que nenhum teórico deveria jamais fazer”
Experimentalistas começaram a procurá-la de qualquer forma. Num laboratório de armas nucleares na Carolina do Sul, em meados dos anos 50, colocaram dois grandes tanques de água no exterior de um reactor nuclear que, de acordo com as suas equações, deveriam ter feito dez triliões de neutrinos por segundo. O detector era minúsculo pelos padrões actuais, mas ainda assim conseguiu detectar neutrinos – três por hora. Os cientistas tinham estabelecido que o neutrino proposto era de facto real; o estudo da partícula elusiva acelerou.
Uma década mais tarde, o campo aumentou quando outro grupo de físicos instalou um detector na mina de ouro Homestake, em Lead, Dakota do Sul, a 4.850 pés de profundidade. Nesta experiência, os cientistas propuseram-se a observar neutrinos, monitorizando o que acontece na rara ocasião em que um neutrino colide com um átomo de cloro e cria argónio radioactivo, que é facilmente detectável. No centro da experiência estava um tanque cheio com 600 toneladas de um líquido rico em cloro, o percloroetileno, um fluido utilizado na limpeza a seco. De poucos em poucos meses, os cientistas descarregavam o tanque e extraíam cerca de 15 átomos de árgon, prova de 15 neutrinos. A monitorização continuou durante mais de 30 anos.
Esperava detectar neutrinos em maior número, os cientistas no Japão lideraram uma experiência a 3.300 pés de profundidade numa mina de zinco. O Super-Kamiokande, ou Super-K como é conhecido, começou a funcionar em 1996. O detector consiste em 50.000 toneladas de água num tanque em cúpula cujas paredes são cobertas com 13.000 sensores de luz. Os sensores detectam o flash azul ocasional (demasiado fraco para os nossos olhos verem) feito quando um neutrino colide com um átomo na água e cria um electrão. E ao traçar o caminho exacto que o electrão percorreu na água, os físicos poderiam inferir a fonte, no espaço, do neutrino em colisão. A maioria, encontraram, veio do sol. As medições eram suficientemente sensíveis para que o Super-K pudesse seguir o caminho do sol através do céu e, a partir de quase uma milha abaixo da superfície da terra, ver o dia transformar-se em noite. “É realmente uma coisa excitante”, diz Janet Conrad, uma física do Massachusetts Institute of Technology. As faixas de partículas podem ser compiladas para criar “uma bela imagem, a imagem do sol em neutrinos”
Mas as experiências Homestake e Super-K não detectaram tantos neutrinos como os físicos esperavam. A investigação no Observatório Sudbury Neutrino (SNO, pronuncia-se “neve”) determinou o porquê. Instalada numa mina de níquel de 6.800 pés de profundidade em Ontário, a SNO contém 1.100 toneladas de “água pesada”, que tem uma forma invulgar de hidrogénio que reage com relativa facilidade com os neutrinos. O fluido está num tanque suspenso dentro de uma enorme bola de acrílico que é ela própria mantida dentro de uma superestrutura geodésica, que absorve vibrações e na qual são pendurados 9.456 sensores de luz – tudo isto parecendo um ornamento de árvore de Natal de 30 pés de altura.
Os cientistas que trabalham na SNO descobriram em 2001 que um neutrino pode mudar espontaneamente entre três identidades diferentes – ou como dizem os físicos, ele oscila entre três sabores. A descoberta teve implicações espantosas. Por um lado, mostrou que experiências anteriores tinham detectado muito menos neutrinos do que o previsto porque os instrumentos estavam sintonizados com apenas um sabor de neutrino – o tipo que cria um electrão – e faltavam os que mudavam. Por outro lado, a descoberta derrubou a crença dos físicos de que um neutrino, tal como um fotão, não tem massa. (Oscilar entre sabores é algo que apenas partículas com massa são capazes de fazer.)
Quanta massa têm os neutrinos? Para descobrir, os físicos estão a construir o KATRIN – a Experiência Karlsruhe Tritium Neutrino. O fim do negócio de KATRIN ostenta um dispositivo de 200 toneladas chamado espectrómetro que irá medir a massa dos átomos antes e depois de estes se decomporem radioactivamente – revelando assim a quantidade de massa que o neutrino transporta. Os técnicos construíram o espectrómetro a cerca de 250 milhas de Karlsruhe, Alemanha, onde a experiência irá funcionar; o dispositivo era demasiado grande para as estradas estreitas da região, pelo que foi colocado num barco no rio Danúbio e flutuou através de Viena, Budapeste e Belgrado, para o Mar Negro, através do Egeu e do Mediterrâneo, à volta de Espanha, através do Canal da Mancha, para Roterdão e para o Reno, depois para sul até ao porto fluvial de Leopoldshafen, Alemanha. Aí foi descarregado num camião e guinchado pela cidade até ao seu destino, dois meses e 5.600 milhas mais tarde. Está previsto começar a recolher dados em 2012.
Físicos e astrónomos interessados na informação que os neutrinos do espaço exterior possam transportar sobre supernovas ou galáxias em colisão criaram “telescópios” de neutrinos. Um, chamado IceCube, encontra-se dentro de um campo de gelo na Antárctida. Quando estiver concluído, em 2011, consistirá em mais de 5.000 sensores de luz azul (ver diagrama acima). Os sensores destinam-se não ao céu, como seria de esperar, mas sim ao solo, para detectar neutrinos do sol e do espaço exterior que vêm do norte através do planeta. A terra bloqueia os raios cósmicos, mas a maioria dos neutrinos percorrem o planeta de 8.000 milhas de largura como se não estivesse lá.
Está a decorrer uma experiência de neutrinos a longa distância sob vários estados do Midwestern. Um acelerador de alta energia, que gera partículas subatómicas, dispara feixes de neutrinos e partículas relacionadas até seis milhas de profundidade, abaixo do norte do Illinois, através do Wisconsin e até ao Minnesota. As partículas começam no Fermilab, como parte de uma experiência chamada Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS). Em menos de três milésimos de segundo, atingem um detector na mina de ferro de Soudan, a 450 milhas de distância. Os dados recolhidos pelos cientistas complicam a sua imagem deste mundo infinitesimal: parece agora que as formas exóticas de neutrinos, os chamados anti-neutrinos, podem não seguir as mesmas regras de oscilação que outros neutrinos.
“O que é fixe”, diz Conrad, “é que não é o que esperávamos”
Quando se trata de neutrinos, muito pouco é.
O último livro de Ann Finkbeiner, A Grand and Bold Thing, é sobre o Sloan Digital Sky Survey, um esforço para mapear o universo.
