Autor: Emily Jennings
Emily Jennings
p>Em qualquer aula de física, os alunos são informados de que nada viaja mais rápido do que a velocidade da luz. Contudo, essa afirmação pode já não ser verdadeira devido ao neutrino – a partícula que pode ser capaz de transcender dimensões que a luz não pode. O conceito de neutrino é significativo para a nossa compreensão do universo porque o neutrino pode ser usado para determinar a rapidez com que o universo se está a expandir, bem como o seu destino final1.p>Todos ouviram falar de electrões, prótons e neutrões, mas o que é exactamente um neutrino? Um neutrino é uma partícula exponencialmente pequena, sem carga eléctrica. Para colocar o tamanho notavelmente pequeno de um neutrino em perspectiva, considere que se pensa que os neutrinos são um milhão de vezes menores do que os electrões, que têm uma massa de 9,11 × 10-31 quilogramas2. Os neutrinos são provavelmente as partículas mais abundantes do universo e podem ser mais comuns que os fotões, a unidade básica da luz. Como os neutrinos são tão comuns, pensa-se que a sua massa, que permanece desconhecida, tem um efeito sobre a gravidade do Universo1. Os neutrinos podem passar por quase tudo, e fazem-no constantemente. De facto, cerca de 400 bilhões de neutrinos só do sol passam por cada pessoa na Terra a cada segundo. Segundo o físico Frank Close, “Um neutrino pode voar através de um ano-luz de chumbo sem atingir nada “1. Os físicos também suspeitam que os neutrinos podem passar por dimensões proibidas à luz2,
Se os neutrinos são tão pequenos e passam por quase tudo o que nos é conhecido, bem como por dimensões potenciais desconhecidas para nós, como é que sabemos que os neutrinos existem? De onde vêm os neutrinos? Estas perguntas são melhor respondidas através de uma consideração da história da descoberta do neutrino. Em 1930, Wolfgang Pauli (o pai do Princípio de Exclusão Pauli) propôs a existência do neutrino para explicar a conservação da energia em decadência radioactiva beta. O decaimento radioactivo beta ocorre quando os prótons se transformam em neutrões, tal como quando os prótons se fundem perto do centro do sol. Em 1930, Pauli especulou que quando os neutrões se formam a partir da fusão dos prótons, a energia extra é transportada por partículas leves e electricamente neutras. Na altura, Pauli não acreditava que o que tinha proposto fosse verdade; disse: “Fiz uma coisa terrível, postulei uma partícula que não pode ser detectada “3.
br>Neutrinos são emitidos quando os protões são convertidos em neutrões durante o decaimento radioactivo beta6.
Em 1933, um físico italiano chamado Enrico Fermi nomeou a partícula misteriosa de Pauli como “neutrino” e criou uma teoria quantitativa para interacções de partículas fracas envolvendo o neutrino. Cerca de 20 anos mais tarde, em 1956, dois físicos americanos, Frederick Reines e Clyde Cowan, relataram ter detectado neutrinos utilizando um reactor de fissão como fonte de neutrino e um detector de cintilador bem blindado4. Os neutrinos tinham finalmente sido detectados, mas ainda há muito por descobrir sobre estas pequenas partículas. A peça seguinte do puzzle de neutrinos de longa data veio de Takaaki Kajita e Arthur McDonald, que receberam o Prémio Nobel da Física do ano passado pela sua descoberta de oscilações de neutrinos3.
Uma pergunta sobre neutrinos que intrigou os cientistas é a razão pela qual a Terra recebe tão poucos neutrinos. Os cientistas calcularam o número teórico de neutrinos produzidos pelas reacções de fusão que alimentam o Sol, mas quando o número de neutrinos que a Terra realmente recebe foi medido, quase dois terços da quantidade calculada estavam em falta3. A ideia das oscilações de neutrinos foi proposta em 1998 por Kajita no detector de neutrinos Super-Kamiokande no Japão para explicar a discrepância no número de neutrinos medidos na Terra.
Na mecânica quântica, as partículas apresentam propriedades tanto de partículas pontuais como de ondas, e os neutrinos não são excepção. Quando três neutrinos diferentes (cada um com uma massa diferente) viajam pelo espaço com ondas de frequências diferentes, pensa-se que cada um deles é um tipo diferente de neutrino, sendo assim cada um deles um “sabor” diferente. Estes três sabores diferentes são os três tipos diferentes de neutrinos: neutrinos de múon, neutrinos de electrões, e neutrinos de tau5. Os físicos descrevem ondas tanto em termos de amplitudes como de fase, e quando múltiplas ondas se juntam, as suas fases são alteradas. Quando as ondas que fazem um neutrino se somam, as fases não se cancelam a zero. Uma vez que o sabor de um neutrino depende da sua fase, o sabor pode mudar com o tempo. Este fenómeno é chamado oscilação de neutrino, a metamorfose de um neutrino de um sabor para um neutrino de um sabor diferente.
Kajita e McDonald provaram que as oscilações de neutrino não são apenas teóricas. Kajita, trabalhando no detector de neutrinos Super-Kamiokande nos arredores de Tóquio, Japão, descobriu que o detector apanhou alguns neutrinos muon vindos da atmosfera acima e alguns do outro lado do planeta depois de as partículas terem viajado através da Terra. Uma vez que a Terra não apresenta qualquer obstáculo considerável aos neutrinos, um número igual de neutrinos deveria ter vindo através da Terra e directamente do Sol. No entanto, Kajita descobriu que os neutrinos muon que vieram directamente para o Super-Kamiokande eram mais numerosos do que os primeiros a atravessar o globo. A única forma de explicar esta observação é se os neutrinos muon que viajavam através da Terra se transformassem noutro tipo de neutrino, neste caso, o tau neutrino. No Observatório Sudbury Neutrino, em Ontário, Canadá, McDonald encontrou uma estranheza semelhante. O laboratório estava a medir os neutrinos de electrões que vêm directamente do sol, mas o número capturado de neutrinos de electrões era apenas um terço do número esperado. Quando os laboratórios juntaram os seus números, descobriram que o número teoricamente calculado de neutrinos tinha de facto chegado à Terra, confirmando que os neutrinos se transformam em outros tipos de neutrinos. Assim, as oscilações de neutrinos são reais!
Esta descoberta e conclusão conduziu a outra conclusão inovadora na física das partículas: o Modelo Padrão, a teoria de como o universo está fundamentalmente organizado e funciona, não está de facto totalmente desenvolvido porque requer que os neutrinos sejam sem massa3,5. No entanto, para que as oscilações dos neutrinos sejam possíveis, os neutrinos devem ter massa3! Estas conclusões têm colocado muitas outras questões aos físicos das partículas. Qual é a massa de um neutrino? Porque é que os neutrinos são tão leves? Finalmente, o que sugerem estas conclusões sobre as dimensões potenciais aludidas anteriormente? A existência de um neutrino com massa poderia sugerir que essas outras dimensões proibidas à luz são reais e estão à espera de serem descobertas. Se for possível demonstrar que um neutrino pode viajar mais depressa do que a velocidade da luz tomando um atalho através de uma das dimensões proibidas, então podemos estender a teoria da relatividade de Einstein a essas dimensões, a luz está proibida de entrar. As implicações de tal aplicação poderiam alterar radicalmente a nossa compreensão do tempo e do espaço em relação à vida tal como a conhecemos.
- Fechar, F. Física das partículas introdução curta,Oxford: Oxford University Press(2004).
- Weiler, T. Neutrinos, Einstein, tempo e paradoxo: Tom Weiler em TEDxNashville ,Nashville, TN(2012).
- Os camaleões do espaço. Nobelprize.org. Obtido de https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2015/popular-physicsprize2015.pdf(2015, 6 de Outubro).
li>>A história do neutrino. Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi. Obtido de http://www-numi.fnal.gov/public/story.html(2015).>li>O que é um neutrino? Neutrinos e oscilações do neutrino. Site Oficial do Super-Kamiokande. Obtido de http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/sk/neutrino-e.html (2015).li>Chaisson, E. & McMillan, S.Capítulo 16: O Sol: A nossa Estrela-Mãe. Em Astronomia Hoje (7ª ed.), Addison-Wesley (2010).