Cientistas observam neutrinos solares a transformar carbono-13 em azoto-13

A milhares de metros de profundidade, nas entranhas da crosta terrestre, cientistas conseguiram finalmente observar neutrinos solares a transformar carbono-13 em azoto-13.

É a primeira vez que se deteta esta rara reação nuclear mediada por neutrinos. A observação mostra como algumas das partículas mais esquivas e intangíveis do Universo podem, ainda assim, alterar silenciosamente a matéria nas profundezas subterrâneas, longe da superfície.

«Esta descoberta recorre à abundância natural de carbono-13 no líquido cintilador da experiência para medir uma interação específica e rara», afirma a física Christine Kraus, do SNOLAB, o observatório de neutrinos no Canadá onde foi feita a deteção.

«Tanto quanto sabemos, estes resultados representam a observação de interações de neutrinos com núcleos de carbono-13 à energia mais baixa até à data e fornecem a primeira medição direta da secção eficaz desta reação nuclear específica para o estado fundamental do núcleo de azoto-13 resultante.»

Neutrinos solares nas profundezas da Terra

Os neutrinos contam-se entre as partículas mais abundantes do vasto Universo. Formam-se em circunstâncias energéticas, como explosões de supernovas e a fusão atómica que ocorre no interior das estrelas, pelo que estão praticamente por todo o lado.

Apesar disso, não têm carga elétrica, a sua massa é quase nula e raramente interagem com outras partículas que encontram. Neste preciso momento, centenas de milhares de milhões de neutrinos atravessam o seu corpo, passando como fantasmas. É por isso que são carinhosamente chamados partículas fantasma.

De vez em quando, porém, um neutrino choca efetivamente com outra partícula. Essa colisão produz um clarão infinitesimalmente ténue e uma cascata de outras partículas. À superfície da Terra, estes sinais são difíceis de detetar, pois os raios cósmicos e a radiação de fundo ocultam-nos.

Por essa razão, alguns dos melhores detetores de neutrinos encontram-se a grande profundidade, onde a própria crosta terrestre funciona como escudo contra a radiação. Nesses locais, câmaras gigantes revestidas de fotodetetores são preenchidas com um líquido cintilador, que amplifica os minúsculos sinais das raras interações de neutrinos, fazendo-os surgir na escuridão completa e silenciosa.

Os neutrinos formados no núcleo do Sol atravessam constantemente a Terra. As suas energias situam-se num intervalo bem conhecido, o que permite distingui-los facilmente dos neutrinos atmosféricos e astrofísicos, muito mais energéticos e muito menos comuns. Aos 2 quilómetros de profundidade a que se encontra o detetor SNO+ do SNOLAB, quase todos os acontecimentos nesta faixa de energia têm origem solar.

A transformação de carbono-13 em azoto-13

Uma equipa de investigação liderada pelo físico Gulliver Milton, da Universidade de Oxford, no Reino Unido, analisou minuciosamente os dados recolhidos pelo SNO+ entre 4 de maio de 2022 e 29 de junho de 2023. Os investigadores procuravam um sinal específico de interação entre um neutrino e carbono-13 no líquido cintilador.

Quando um neutrino eletrónico solar atinge um núcleo de carbono-13, a colisão provoca dois efeitos. O primeiro é a produção de um eletrão, uma partícula com carga negativa, quando o núcleo atómico absorve o neutrino.

O núcleo do átomo de carbono contém 13 partículas: seis protões com carga positiva e sete neutrões sem carga. A interação fraca desencadeada pelo neutrino converte um desses neutrões num protão, emitindo um eletrão.

Como o número de protões passa de seis para sete, o átomo deixa de ser carbono e transforma-se em azoto-13, com sete protões e seis neutrões.

Cerca de 10 minutos depois, o azoto-13 produzido - um isótopo radioativo instável de azoto com um tempo de semivida de, precisamente, 10 minutos - decai e emite um antieletrão, ou positrão, que denuncia a reação.

Do princípio ao fim, a interação gera um clarão característico em duas etapas, conhecido como coincidência retardada. Na prática, os investigadores podem procurar um eletrão seguido, 10 minutos depois, de um positrão: essa sequência assinala a conversão de carbono-13 em azoto-13 por um neutrino.

Os resultados da deteção de neutrinos solares

A partir de 231 dias de dados de observação, os investigadores identificaram 60 acontecimentos candidatos. Ao introduzirem esses dados no seu modelo estatístico, estimaram 5,6 transmutações de carbono em azoto provocadas por neutrinos. O valor aproxima-se bastante dos 4,7 acontecimentos que esperavam encontrar.

«Registar 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 percorreram distâncias enormes para chegar ao nosso detetor.»

O resultado é entusiasmante. Confirmar previsões teóricas é sempre gratificante, pois significa que a ciência está no caminho certo.

A investigação também fornece uma nova medida da probabilidade desta reação específica de baixa energia entre neutrinos e carbono. Estabelece, assim, uma nova referência para a física nuclear, que será útil em estudos futuros.

«Os próprios neutrinos solares têm sido um tema de estudo intrigante durante muitos anos, e as medições destes neutrinos pela experiência que nos precedeu, o SNO, conduziram ao Prémio Nobel da Física de 2015», afirma o físico Steven Biller, da Universidade de Oxford.

«É notável que a nossa compreensão dos neutrinos provenientes do Sol tenha avançado tanto que agora podemos usá-los pela primeira vez como um “feixe de teste” para estudar outros tipos de reações atómicas raras!»

A investigação foi publicada na revista Physical Review Letters.