Neutrinos solares no SNOLAB: carbono-13 virando nitrogénio-13 no SNO+

A milhares de metros abaixo do chão, nas profundezas ctónicas da crosta terrestre, investigadores finalmente observaram neutrinos solares a converter carbono-13 em nitrogénio-13.

É a primeira vez que essa reação nuclear rara, mediada por neutrinos, é registada diretamente - uma demonstração de como algumas das partículas mais esquivas do Universo ainda assim conseguem, de forma silenciosa, alterar a matéria no escuro subterrâneo, longe da superfície.

"Esta descoberta usa a abundância natural de carbono-13 no 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 deteção foi feita.

"Até onde sabemos, estes resultados representam a observação de menor energia de interações de neutrinos em núcleos de carbono-13 até à data e fornecem a primeira medição direta da secção de choque desta reação nuclear específica para o estado fundamental do núcleo de nitrogénio-13 resultante."

Neutrinos e o desafio de detetá-los

Os neutrinos estão entre as partículas mais numerosas do vasto Universo. Eles nascem em cenários extremamente energéticos, como explosões de supernovas e a fusão atómica que ocorre no interior das estrelas - por isso, estão praticamente em todo o lado.

O problema é que não têm carga elétrica, a massa é quase nula e raramente interagem com as partículas que encontram pelo caminho. Neste exato momento, centenas de milhares de milhões de neutrinos atravessam o seu corpo e seguem adiante como se nada existisse. É por isso que ganharam o apelido carinhoso de partículas fantasma.

Mesmo assim, ocasionalmente um neutrino colide com outra partícula. Quando isso acontece, surge um brilho extremamente ténue acompanhado por uma cascata de outras partículas. Só que, na superfície da Terra, os raios cósmicos e a radiação de fundo mascaram esse sinal, tornando-o muito difícil de isolar.

O detector SNO+ no SNOLAB a 2 quilómetros de profundidade

É justamente por esse motivo que alguns dos melhores detetores de neutrinos são instalados no subsolo profundo: a própria crosta terrestre funciona como um escudo natural contra a radiação. Nesses locais, câmaras gigantescas são revestidas com fotodetectores e preenchidas com um cintilador líquido, que amplifica os sinais minúsculos produzidos pelas raras interações - pequenos clarões que florescem no breu total e silencioso.

Os neutrinos gerados no interior do Sol atravessam a Terra continuamente. As energias com que chegam estão dentro de uma faixa bem conhecida, o que facilita separá-los dos neutrinos atmosféricos e astrofísicos, que tendem a ser muito mais energéticos e muito menos frequentes. A 2 quilómetros (1,24 milha) de profundidade, no detetor SNO+ do SNOLAB, quase todos os eventos nessa banda de energia têm origem solar.

Liderada pelo físico Gulliver Milton, da Universidade de Oxford, no Reino Unido, a equipa analisou dados do SNO+ recolhidos entre 4 de maio de 2022 e 29 de junho de 2023. O objetivo era encontrar um sinal específico que indicasse a interação de um neutrino com carbono-13 presente no líquido cintilador.

Como a reação com carbono-13 produz uma coincidência atrasada em duas etapas

Quando um neutrino eletrónico solar atinge um núcleo de carbono-13, a colisão desencadeia dois efeitos. O primeiro é a produção de um eletrão, uma partícula de carga negativa, ao mesmo tempo que o núcleo absorve o neutrino.

No núcleo do átomo de carbono existem 13 partículas: seis protões com carga positiva e sete neutrões sem carga. A interação fraca ativada pelo neutrino transforma um desses neutrões em protão e, nesse processo, é emitido um eletrão.

Como o número de protões sobe de seis para sete, o átomo deixa de ser carbono e passa a ser nitrogénio-13, que possui sete protões e seis neutrões.

Cerca de 10 minutos depois, o nitrogénio-13 formado - um isótopo radioativo instável de nitrogénio com meia-vida de, como adivinhou, 10 minutos - decai, emitindo um anti-elétron, isto é, um pósitron.

Assim, do começo ao fim, a assinatura é um clarão característico em duas etapas, conhecido como coincidência atrasada. Em termos práticos, os investigadores procuram um eletrão e, aproximadamente 10 minutos mais tarde, um pósitron - a marca de que um neutrino converteu carbono-13 em nitrogénio-13.

Com base em 231 dias de dados de observação, a equipa encontrou 60 eventos candidatos. Ao aplicar o modelo estatístico aos candidatos, a estimativa foi de 5.6 transmutações carbono–nitrogénio impulsionadas por neutrinos. Esse valor fica bastante próximo dos 4.7 eventos que esperavam observar.

"Capturar esta interação é uma conquista extraordinária", diz Milton. "Apesar da raridade do isótopo de carbono, conseguimos observar a sua interação com neutrinos, que nasceram no núcleo do Sol e percorreram distâncias imensas até chegar ao nosso detetor."

O resultado empolga. Ver previsões teóricas confirmadas é sempre recompensador, porque indica que a ciência está no rumo certo.

Além disso, o trabalho fornece uma nova medição da probabilidade dessa reação específica entre neutrinos de baixa energia e carbono. Na prática, isso estabelece uma nova referência para a física nuclear, com utilidade em estudos futuros.

"Os neutrinos solares têm sido um tema fascinante de investigação há muitos anos, e as medições feitas pelo nosso experimento antecessor, o SNO, levaram ao Prémio Nobel de Física de 2015", afirma o físico Steven Biller, da Universidade de Oxford.

"É notável que o nosso entendimento dos neutrinos vindos do Sol tenha avançado tanto a ponto de agora podermos usá-los pela primeira vez como um 'feixe de teste' para estudar outros tipos de reações atómicas raras!"

A pesquisa foi publicada em Cartas de Revisão Física.