No SNOLAB, neutrinos solares transformam carbono-13 em nitrogênio-13

Abaixo de milhares de metros de rocha, nas profundezas da crosta terrestre, cientistas finalmente flagraram neutrinos solares fazendo algo que quase nunca se consegue ver: transformar carbono-13 em nitrogênio-13.

É a primeira vez que essa reação nuclear rara, mediada por neutrinos, é observada diretamente - uma demonstração de que essas partículas tão esquivas do Universo ainda assim conseguem, silenciosamente, remodelar a matéria no escuro subterrâneo, longe de qualquer interferência da superfície.

"Esta descoberta usa a abundância natural de carbono-13 no cintilador líquido do experimento para medir uma interação específica e rara", diz a física Christine Kraus, do SNOLAB, o observatório de neutrinos no Canadá onde a detecção foi feita.

"Até onde sabemos, esses resultados representam a observação de menor energia de interações de neutrinos em núcleos de carbono-13 até hoje e fornecem a primeira medição direta da seção de choque para esta reação nuclear específica até o estado fundamental do núcleo de nitrogênio-13 resultante."

Neutrinos estão entre as partículas mais abundantes do vasto Universo. Eles surgem em situações energéticas, como explosões de supernovas e a fusão atômica que ocorre no coração das estrelas - ou seja, estão por toda parte.

No entanto, não têm carga elétrica, sua massa é quase nula e eles mal interagem com outras partículas que encontram. Centenas de bilhões de neutrinos atravessam seu corpo agora mesmo, simplesmente passando como se fossem fantasmas. Por isso, ganharam o apelido carinhoso de "partículas fantasma".

Mas, de vez em quando, um neutrino realmente colide com outra partícula - um impacto que gera um brilho extremamente fraco e uma cascata de outras partículas. O problema é que, na superfície da Terra, raios cósmicos e a radiação de fundo encobrem esse sinal.

É por isso que alguns dos melhores detectores de neutrinos ficam bem no subsolo, onde a própria crosta terrestre atua como escudo contra radiação. Lá, câmaras gigantes são revestidas com fotodetectores e preenchidas com um cintilador líquido que amplifica os sinais minúsculos produzidos por raras interações de neutrinos, que "florescem" na escuridão total e silenciosa.

Neutrinos forjados no coração do Sol atravessam a Terra o tempo todo. Suas energias caem dentro de uma faixa bem conhecida, o que facilita distingui-los de neutrinos atmosféricos e astrofísicos, muito mais energéticos e bem menos comuns. A cerca de 2 quilômetros de profundidade no detector SNO+ do SNOLAB, quase todos os eventos nessa faixa de energia têm origem solar.

Liderada pelo físico Gulliver Milton, da Universidade de Oxford (Reino Unido), a equipe analisou dados do SNO+ coletados entre 4 de maio de 2022 e 29 de junho de 2023, em busca de um sinal específico que indicasse uma interação de neutrino com carbono-13 no fluido cintilador.

Quando um neutrino eletrônico solar atinge um núcleo de carbono-13, a colisão provoca duas coisas. A primeira é a produção de um elétron, partícula de carga negativa, enquanto o núcleo atômico absorve o neutrino.

Dentro do núcleo do átomo de carbono há 13 partículas: seis prótons com carga positiva e sete nêutrons neutros. A interação fraca acionada pelo neutrino converte um desses nêutrons em próton, emitindo um elétron.

Com a contagem de prótons aumentando de seis para sete, o átomo deixa de ser carbono e passa a ser nitrogênio-13, que tem sete prótons e seis nêutrons.

Cerca de 10 minutos depois, o nitrogênio-13 produzido - um isótopo radioativo instável do nitrogênio com meia-vida de, isso mesmo, 10 minutos - decai, emitindo um antielétron característico, ou pósitron.

O resultado, do começo ao fim, é um brilho distintivo em duas etapas conhecido como coincidência atrasada. Em termos práticos, os pesquisadores procuram um elétron seguido, 10 minutos depois, por um pósitron - a assinatura de um neutrino convertendo carbono-13 em nitrogênio-13.

Com 231 dias de dados de observação, os pesquisadores identificaram 60 eventos candidatos. Ao passar esses candidatos pelo modelo estatístico, estimaram 5,6 transmutações carbono-nitrogênio impulsionadas por neutrinos. Isso ficou bem próximo dos 4,7 eventos que esperavam encontrar.

"Capturar essa interação é uma conquista extraordinária", diz Milton. "Apesar da raridade do isótopo de carbono, conseguimos observar sua interação com neutrinos, que nasceram no núcleo do Sol e viajaram grandes distâncias até chegar ao nosso detector."

O resultado é animador. Confirmar previsões teóricas é sempre gratificante, porque indica que a ciência está no caminho certo.

Além disso, traz uma nova medida da probabilidade dessa reação específica, de baixa energia, entre neutrinos e carbono. Na prática, isso estabelece um novo parâmetro de referência para a física nuclear, útil em estudos futuros.

"Neutrinos solares têm sido um tema intrigante de pesquisa por muitos anos, e as medições feitas por nosso experimento predecessor, o SNO, levaram ao Prêmio Nobel de Física de 2015", diz o físico Steven Biller, da Universidade de Oxford.

"É notável que nosso entendimento sobre neutrinos vindos do Sol tenha avançado tanto que agora conseguimos usá-los, pela primeira vez, como um 'feixe de teste' para estudar outros tipos de reações atômicas raras!"

A pesquisa foi publicada na Physical Review Letters.