Neutrinos ‘fantasmas’ fornecem novo caminho para estudar prótons

Mas por serem tão abundantes, eles desempenham um grande papel em ajudar os cientistas a responder a questões fundamentais sobre o universo.

Na pesquisa inovadora descrita em Natureza — liderados por pesquisadores da Universidade de Rochester — cientistas da colaboração internacional MINERvA usaram, pela primeira vez, um feixe de neutrinos no Fermi National Accelerator Laboratory, ou Fermilab, para investigar a estrutura dos prótons.

O MINERvA é um experimento para estudar neutrinos, e os pesquisadores não se propuseram a estudar prótons. Mas sua façanha, antes considerada impossível, oferece aos cientistas uma nova maneira de olhar para os pequenos componentes do núcleo de um átomo.

“Enquanto estávamos estudando neutrinos como parte do experimento MINERvA, percebi que uma técnica que estava usando poderia ser aplicada para investigar prótons”, diz Tejin Cai, o primeiro autor do artigo. Cai, que agora é pesquisador associado de pós-doutorado na Universidade de York, conduziu a pesquisa como aluno de doutorado de Kevin McFarland, o Dr. Steven Chu Professor em Física em Rochester e membro-chave do Neutrino Group da Universidade. “A princípio não tínhamos certeza se funcionaria, mas finalmente descobrimos que poderíamos usar neutrinos para medir o tamanho e a forma dos prótons que compõem os núcleos dos átomos. É como usar uma régua fantasma para fazer uma medição.”

Usando feixes de partículas para medir prótons

Os átomos e os prótons e nêutrons que compõem o núcleo de um átomo são tão pequenos que os pesquisadores têm dificuldade em medi-los diretamente. Em vez disso, eles constroem uma imagem da forma e da estrutura dos componentes de um átomo bombardeando os átomos com um feixe de partículas de alta energia. Eles então medem a que distância e em que ângulos as partículas ricocheteiam nos componentes do átomo.

Imagine, por exemplo, jogar bolinhas de gude em uma caixa. As bolinhas quicariam na caixa em determinados ângulos, permitindo que você determinasse onde a caixa estava – e determinasse seu tamanho e forma – mesmo que a caixa não estivesse visível para você.

“Esta é uma maneira muito indireta de medir algo, mas nos permite relacionar a estrutura de um objeto – neste caso, um próton – a quantas deflexões vemos em diferentes ângulos”, diz McFarland.

O que os feixes de neutrinos podem nos dizer?

Os pesquisadores mediram pela primeira vez o tamanho dos prótons na década de 1950, usando um acelerador com feixes de elétrons nas instalações do acelerador linear da Universidade de Stanford. Mas, em vez de usar feixes de elétrons acelerados, a nova técnica desenvolvida por Cai, McFarland e seus colegas usa feixes de neutrinos.

Embora a nova técnica não produza uma imagem mais nítida do que a técnica antiga, diz McFarland, ela pode fornecer aos cientistas novas informações sobre como neutrinos e prótons interagem – informações que atualmente só podem inferir usando cálculos teóricos ou uma combinação de teoria e outras medições.

Ao comparar a nova técnica com a antiga, McFarland compara o processo a ver uma flor em luz visível normal e depois olhar para a flor sob luz ultravioleta.

“Você está olhando para a mesma flor, mas pode ver diferentes estruturas sob diferentes tipos de luz”, diz McFarland. “Nossa imagem não é mais precisa, mas a medição de neutrinos nos fornece uma visão diferente”.

Especificamente, eles esperam usar a técnica para separar os efeitos relacionados ao espalhamento de neutrinos em prótons dos efeitos relacionados ao espalhamento de neutrinos em núcleos atômicos, que são coleções de prótons e nêutrons.

“Nossos métodos anteriores para prever a dispersão de neutrinos de prótons usaram cálculos teóricos, mas esse resultado mede diretamente essa dispersão”, diz Cai.

McFarland acrescenta: “Usando nossa nova medição para melhorar nossa compreensão desses efeitos nucleares, seremos mais capazes de realizar medições futuras das propriedades dos neutrinos”.

O desafio técnico de experimentar com neutrinos

Os neutrinos são criados quando os núcleos atômicos se juntam ou se separam. O sol é uma grande fonte de neutrinos, que são um subproduto da fusão nuclear do sol. Se você ficar sob a luz do sol, por exemplo, trilhões de neutrinos passarão inofensivamente pelo seu corpo a cada segundo.

Embora os neutrinos sejam mais abundantes no universo do que os elétrons, é mais difícil para os cientistas aproveitá-los experimentalmente em grandes números: os neutrinos passam pela matéria como fantasmas, enquanto os elétrons interagem com a matéria com muito mais frequência.

“Ao longo de um ano, em média, haveria apenas interações entre um ou dois neutrinos dos trilhões que passam pelo seu corpo a cada segundo”, diz Cai. “Há um enorme desafio técnico em nossos experimentos, pois precisamos obter prótons suficientes para observar e descobrir como obter neutrinos suficientes por meio desse grande conjunto de prótons”.

Usando um detector de neutrinos

Os pesquisadores resolveram esse problema em parte usando um detector de neutrinos contendo um alvo de átomos de hidrogênio e carbono. Normalmente, os pesquisadores usam apenas átomos de hidrogênio em experimentos para medir prótons. O hidrogênio não é apenas o elemento mais abundante no universo, mas também o mais simples, pois um átomo de hidrogênio contém apenas um único próton e elétron. Mas um alvo de hidrogênio puro não seria suficientemente denso para neutrinos suficientes interagirem com os átomos.

“Estamos realizando um ‘truque químico’, por assim dizer, ligando o hidrogênio em moléculas de hidrocarbonetos que o tornam capaz de detectar partículas subatômicas”, diz McFarland.

O grupo MINERvA conduziu seus experimentos usando um acelerador de partículas de alta potência e alta energia, localizado no Fermilab. O acelerador produz a fonte mais forte de neutrinos de alta energia do planeta.

Os pesquisadores atingiram seu detector feito de átomos de hidrogênio e carbono com o feixe de neutrinos e registraram dados de quase nove anos de operação.

Para isolar apenas as informações dos átomos de hidrogênio, os pesquisadores tiveram que subtrair o “ruído” de fundo dos átomos de carbono.

“O hidrogênio e o carbono estão quimicamente ligados, então o detector vê interações em ambos ao mesmo tempo”, diz Cai. “Percebi que uma técnica que eu estava usando para estudar as interações no carbono também poderia ser usada para ver o hidrogênio sozinho depois de subtrair as interações do carbono. Grande parte do nosso trabalho era subtrair o fundo muito grande de neutrinos espalhados nos prótons em o núcleo de carbono”.

Diz Deborah Harris, professora da Universidade de York e co-porta-voz do MINERvA: “Quando propusemos o MINERvA, nunca pensamos que poderíamos extrair medições do hidrogênio no detector. Fazer esse trabalho exigia um ótimo desempenho do detector , análise criativa de cientistas e anos de execução” do acelerador no Fermilab.

O impossível se torna possível

McFarland também pensou inicialmente que seria quase impossível usar neutrinos para medir com precisão o sinal dos prótons.

“Quando Tejin e nosso colega Arie Bodek (professor de física George E. Pake em Rochester) sugeriram pela primeira vez tentar essa análise, pensei que seria muito difícil”, diz McFarland. “Mas a visão antiga dos prótons foi explorada minuciosamente, então decidimos tentar essa técnica para obter uma nova visão – e funcionou”.

A experiência coletiva dos cientistas do MINERvA e a colaboração dentro do grupo foram essenciais para a realização da pesquisa, diz Cai.

“O resultado da análise e as novas técnicas desenvolvidas destacam a importância de ser criativo e colaborativo na compreensão dos dados”, afirma. “Embora muitos dos componentes para a análise já existissem, reuni-los da maneira certa realmente fez a diferença, e isso não pode ser feito sem que especialistas com diferentes formações técnicas compartilhem seus conhecimentos para tornar o experimento um sucesso.”

Além de fornecer mais informações sobre a matéria comum que compõe o universo, a pesquisa é importante para prever interações de neutrinos para outros experimentos que tentam medir as propriedades dos neutrinos. Esses experimentos incluem o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), o detector de neutrinos Imaging Cosmic And Rare Underground Signals (ICARUS) e experimentos de neutrinos T2K nos quais McFarland e seu grupo estão envolvidos.

“Precisamos de informações detalhadas sobre prótons para responder a perguntas como quais neutrinos têm mais massa do que outros e se existem ou não diferenças entre neutrinos e seus parceiros de antimatéria”, diz Cai. “Nosso trabalho é um passo à frente para responder às questões fundamentais sobre a física de neutrinos que são o objetivo desses grandes projetos científicos em um futuro próximo”.