Pesquisadores observam neutrinos solares transformar carbono-13 em nitrogênio-13 no SNO+

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

É a primeira vez que essa rara reação nuclear mediada por neutrinos é observada, mostrando como algumas das partículas mais esquivas e intangíveis do Universo ainda assim conseguem, discretamente, alterar a matéria no silêncio subterrâneo, longe da superfície.

"Esta descoberta aproveita 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 aconteceu.

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

Neutrinos solares: abundantes, quase invisíveis

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

Ainda assim, não possuem carga elétrica, a massa é quase nula e interagem muito pouco com as outras partículas que encontram. Neste exato momento, centenas de bilhões de neutrinos atravessam o seu corpo, simplesmente passando como se fossem fantasmas. É por isso que ganharam, carinhosamente, o apelido de partículas-fantasma.

De tempos em tempos, porém, um neutrino realmente colide com outra partícula - um choque que gera um brilho extremamente tênue e uma cascata de novas partículas. O problema é que, na superfície da Terra, raios cósmicos e a radiação de fundo mascaram esse tipo de sinal.

Por essa razão, alguns dos melhores detectores de neutrinos ficam instalados no subsolo, onde a própria crosta terrestre funciona como um escudo contra a radiação. Nessas instalações, câmaras gigantes são revestidas por fotodetectores e preenchidas com um cintilador líquido, que amplifica os minúsculos sinais produzidos por interações raras de neutrinos, que “florescem” na escuridão total e silenciosa.

O SNO+ e a transmutação de carbono-13 em nitrogênio-13

Os neutrinos produzidos no interior do Sol atravessam continuamente a Terra. As energias deles encaixam-se numa faixa bem conhecida, o que facilita separá-los de neutrinos atmosféricos e astrofísicos, muito mais energéticos e muito menos frequentes. 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 liderança do físico Gulliver Milton, da Universidade de Oxford, no Reino Unido, a equipa de pesquisa analisou minuciosamente os dados do SNO+ recolhidos 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 desencadeia dois efeitos. O primeiro é a produção de um elétron, partícula de carga negativa, no momento em 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 um próton, ao mesmo tempo em que emite um elétron.

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

A assinatura em dois passos: coincidência atrasada

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

Assim, a interação completa produz um clarão distintivo em duas etapas, conhecido como coincidência atrasada. Em termos práticos, os pesquisadores procuram por um elétron e, 10 minutos mais tarde, por um pósitron - a assinatura de um neutrino a converter carbono-13 em nitrogênio-13.

O que os dados mostraram e por que isso é importante

Com base em 231 dias de dados de observação, a equipa identificou 60 eventos candidatos. Ao submeter esses candidatos ao modelo estatístico, a estimativa foi de 5,6 transmutações carbono-nitrogênio impulsionadas por neutrinos. Esse valor ficou bastante próximo dos 4,7 eventos que esperavam encontrar.

"Capturar esta interação é um feito extraordinário", afirma 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 é animador. Confirmar previsões teóricas é sempre gratificante, porque indica que a ciência está no caminho certo.

Além disso, o trabalho traz 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, útil para 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 Prêmio Nobel de Física de 2015", diz 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 Physical Review Letters.