Neutrinos solares transformam carbono-13 em nitrogênio-13 no SNOLAB

A milhares de metros abaixo da superfície, nas profundezas ctônicas da crosta terrestre, cientistas finalmente flagraram neutrinos solares a transformar carbono-13 em nitrogênio-13.

É a primeira vez que essa reação nuclear rara, mediada por neutrinos, é observada diretamente. O resultado mostra como algumas das partículas mais esquivas e intangíveis do Universo ainda assim conseguem, em silêncio, remodelar a matéria no escuro subterrâneo, longe do mundo à superfície.

"Esta descoberta utiliza 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 detecção foi feita.

"Pelo que sabemos, estes resultados representam a observação de menor energia de interações de neutrinos com núcleos de carbono-13 até hoje e fornecem a primeira medição direta da seção de choque desta reação nuclear específica para o estado fundamental do núcleo de nitrogênio-13 resultante."

Por que é tão difícil ver neutrinos

Os neutrinos estão entre as partículas mais abundantes do vasto Universo. Eles surgem em situações extremamente energéticas, como explosões de supernovas e a fusão atômica que acontece no interior das estrelas - por isso, estão praticamente por toda parte.

Ao mesmo tempo, não têm carga elétrica, a massa é quase nula e raramente interagem com as demais partículas que encontram. Centenas de bilhões de neutrinos atravessam o seu corpo neste exato momento, passando como se fossem fantasmas. É por isso que ganharam o apelido carinhoso de partículas fantasma.

De vez em quando, porém, um neutrino realmente colide com outra partícula - e essa colisão gera um brilho extremamente fraco e uma cascata de partículas secundárias. O problema é que, à superfície, raios cósmicos e a radiação de fundo costumam encobrir o sinal.

O detector SNO+ no SNOLAB e o “escudo” da crosta terrestre

É por esse motivo que alguns dos melhores detectores de neutrinos ficam instalados bem no fundo do subsolo, onde a própria crosta terrestre funciona como blindagem contra radiação. Nesses locais, câmaras gigantes são revestidas por fotodetectores e preenchidas com um cintilador líquido que amplifica os minúsculos sinais produzidos pelas raras interações de neutrinos, florescendo na escuridão total e silenciosa.

Neutrinos gerados no coração do Sol atravessam a Terra continuamente. As suas energias ficam dentro de uma faixa bem conhecida, o que facilita distingui-los de neutrinos atmosféricos e astrofísicos, muito mais energéticos e bem menos comuns. Na profundidade de 2 quilômetros (1,24 milhas) do detector SNO+ do SNOLAB, praticamente todos os eventos nessa banda de energia têm origem solar.

Sob a liderança do 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 dentro do fluido cintilador.

Como neutrinos solares convertem carbono-13 em nitrogênio-13

Quando um neutrino eletrônico solar atinge um núcleo de carbono-13, a colisão desencadeia dois efeitos. O primeiro é a produção de um elétron - uma partícula de carga negativa - à medida que o núcleo atômico absorve o neutrino.

No núcleo do átomo de carbono existem 13 partículas: seis prótons com carga positiva e sete nêutrons sem carga. A interação fraca iniciada pelo neutrino converte um desses nêutrons em próton, emitindo um elétron.

Com o número de prótons a subir 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 formado - um isótopo radioativo instável de nitrogênio, com meia-vida de, adivinhou, 10 minutos - decai e emite um anti-elétron revelador, ou pósitron.

A assinatura em dois passos: coincidência retardada

Do início ao fim, a interação produz um clarão característico em dois tempos, conhecido como coincidência retardada. Na prática, os pesquisadores procuram um elétron e, aproximadamente 10 minutos mais tarde, um pósitron - a assinatura de que um neutrino converteu carbono-13 em nitrogênio-13.

A partir de 231 dias de dados de observação, a equipa identificou 60 eventos candidatos. Ao processar esses candidatos no modelo estatístico, estimou-se a ocorrência de 5.6 transmutações carbono-nitrogênio provocadas por neutrinos. Esse valor fica, inclusive, bastante próximo dos 4.7 eventos que eles esperavam encontrar.

"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 viajaram distâncias imensas até chegar ao nosso detector."

O resultado anima por um motivo simples: confirmar previsões teóricas é sempre satisfatório, porque indica que a ciência está no caminho certo.

Além disso, o estudo fornece uma nova medição para a probabilidade dessa reação específica de neutrino-carbono em baixa energia. Na prática, isso estabelece uma nova referência para a física nuclear, útil em investigações futuras.

"Os neutrinos solares têm sido um tema fascinante de estudo há muitos anos, e as medições destes 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 a nossa compreensão dos 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 revista Cartas de Revisão Física.