Neutrinos: a verdadeira metamorfose ambulante - Prêmio Nobel de Física de 2015

     A caçada ocorreu em enormes instalações enterradas em grandes profundidades, onde milhares de olhos artificiais aguardavam o momento certo de revelar os segredos dos neutrinos. Em 1998, Takaaki Kajita apresentou a descoberta de que os neutrinos parecem sofrer metamorfose: eles mudam de identidade no caminho até o detector Super-Kamiokande, no Japão. Os neutrinos capturados lá são criados em reações entre raios cósmicos e a atmosfera da Terra. Enquanto isso, no outro lado do planeta, cientistas do Sudbury Neutrino Observatory (SNO), no Canadá, estavam estudando neutrinos vindos do Sol. Em 2001, o grupo de pesquisa liderado por Arthur B. McDonald também provou que esses neutrinos mudam de identidade.

     Juntos, os dois experimentos descobriram um novo fenômeno: as oscilações dos neutrinos. Uma conclusão dos experimentos é que o neutrino, por muito tempo considerado sem massa, na verdade, tem que possuir massa. Isto é de uma extraordinária importância para a física de partículas e para o nosso entendimento do universo.

Interior do Super-Kamiokande. [Imagem: Universidade de Tóquio]

     Nós vivemos em um mundo de neutrinos. Trilhões de neutrinos atravessam seu corpo a cada segundo. Você não pode vê-los nem senti-los. Os neutrinos viajam através do espaço quase à velocidade da luz e quase não interagem com a matéria. De onde eles vêm?

     Muitos foram criados já no início do universo. Outros tantos são constantemente criados em vários processos no espaço e na Terra — de explosões de supernovas a reações nucleares em usinas e decaimentos radioativos que ocorrem naturalmente. Mesmo dentro de nossos corpos, uma média de 5000 neutrinos por segundo é liberada quando um isótopo de potássio decai. A maioria dos neutrinos que atinge a Terra se origina em reações nucleares no interior do Sol. Depois das partículas de luz (os fótons), os neutrinos são as partículas mais numerosas do universo.

     A existência dos neutrinos, proposta pelo austríaco Wolfgang Pauli (Prêmio Nobel em 1945), foi, sobretudo, uma tentativa desesperada para explicar a conservação de energia no decaimento beta, um tipo de decaimento radioativo no núcleo atômico. Em dezembro de 1930, Pauli escreveu uma carta para seus colegas físicos, sugerindo que parte da energia era carregada por uma partícula eletricamente neutra, fracamente interagente e muito leve. Ele quase não acreditava na existência dessa partícula. Supostamente ele disse: "Eu fiz uma coisa terrível: postulei uma partícula que não pode ser detectada".

     Essa partícula extra proposta por Pauli, que parecia um simples artifício, foi inicialmente encarada com ceticismo pela comunidade científica. Porém, o italiano Enrico Fermi (Prêmio Nobel em 1938) a levou a sério. E, em 1932, atribuiu-lhe o nome de neutrino, que significa "pequeno nêutron" em italiano. O brasileiro Mário Schenberg (1914-1990), que trabalhou com Fermi, foi um dos primeiros a utilizar operacionalmente tal ideia, por meio da qual fechou o balanço energético da explosão das supernovas.

     Ainda levaria mais de 20 anos para que o neutrino fosse realmente descoberto. A oportunidade veio na década de 1950, quando os neutrinos começam a jorrar em grande quantidade nas usinas nucleares que estavam entrando em operação. Em junho de 1956, dois físicos estadunidenses, Frederick Reines (Prêmio Nobel em 1995) e Clyde Cowan enviaram um telegrama para Wolfgang Pauli, mencionando que os neutrinos haviam deixado traços nos seus detectores.

     O Nobel de Física deste ano premia uma descoberta que resolveu um enigma de longa data sobre os neutrinos. Desde a década de 1960, cientistas tinham determinado, teoricamente, o número de neutrinos que foram criados nas reações nucleares que fazem o Sol brilhar, mas, ao realizarem medidas na Terra, verificou-se que cerca de 2/3 da quantidade calculada estava faltando. Para onde foram os neutrinos?

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Cientistas confirmam a existência de um novo tipo de ligação química

     A Química possui muitas leis e uma delas diz que a velocidade de uma reação aumenta com a temperatura. Em 1989, químicos ficaram desconcertados ao observarem que uma reação entre bromo e muônio – um átomo exótico composto de antimúon e elétron – diminuiu de velocidade quando eles aumentaram a temperatura.
     Donald Fleming, químico da University of British Columbia envolvido com o experimento, pensou que, talvez, bromo e muônio tivessem formado uma estrutura intermediária unida por uma ligação vibracional – uma ligação que outros químicos tinham colocado como uma possibilidade teórica pouco tempo antes. Nesse cenário, o átomo de muônio, que é leve, mover-se-ia velozmente entre dois átomos pesados de bromo, “como uma bola de ping-pong quicando entre duas bolas de boliche”, diz Fleming. O átomo oscilante uniria rapidamente os dois átomos de bromo e reduziria a energia e, portanto, reduziria a velocidade da reação.

(Figura retirada de http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201408211/pdf)

     Na época do experimento, o equipamento necessário não estava disponível para analisar a reação de milissegundos mais detalhadamente para determinar se tal ligação vibracional existia. Nos últimos 25 anos, no entanto, a capacidade dos químicos de rastrearem mudanças sutis nos níveis de energia das reações aumentou significativamente, assim, Fleming e seus colegas refizeram sua reação novamente, três anos atrás, no acelerador nuclear do Rutherford Appleton Laboratory, na Inglaterra. Baseados em cálculos dos dois experimentos e no trabalho de colaboradores da Free University of Berlin, na Alemanha, e da Saitama University, no Japão, eles concluíram que o muônio e o bromo formaram, de fato, um novo tipo de ligação temporária. Sua natureza vibracional diminuiu a energia total da estrutura intermediária bromo-muônio, explicando assim porque a reação ficou mais lenta embora a temperatura estivesse aumentando.
     A equipe reportou seus resultados em dezembro na Angewandte Chemie International Edition, uma publicação da German Chemical Society. O trabalho confirma que as ligações vibracionais devem ser adicionadas à lista de ligações químicas conhecidas. E, apesar da reação bromo-muônio ser um sistema “ideal” para verificar a ligação vibracional, Fleming prediz que o fenômeno também ocorre em outras reações entre átomos leves e pesados.

(Fontes: http://www.scientificamerican.com/article/chemists-confirm-the-existence-of-new-type-of-bond/, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201408211/pdf)