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Investigadores do LIP partilham prémio internacional pelo estudo de neutrinos

Os neutrinos são partículas cujo estudo pode fornecer informação sobre a origem do Universo. José Maneira, responsável pelo grupo do LIP, falou ao esquerda.net da sua investigação, consequências e importância de políticas científicas estruturadas. Por Joana Louçã.
Foto de NASA's Marshall Space Flight Center/Flickr. O enorme buraco negro no centro da Via Láctea pode ser uma "fábrica de neutrinos".

O Prémio Breakthrough para a Física Fundamental de 2016 foi atribuído, entre outros, a quatro investigadores do LIP (Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas) pela participação na “descoberta fundamental da oscilação de neutrinos, revelando uma fronteira para além, possivelmente muito além, do modelo padrão da física de partículas”. Os investigadores têm realizado este trabalho ao longo de mais de 15 anos. Este prémio sublinha a importância de uma política científica estruturada, em especial num país com um tecido científico tão frágil como o português. Sem investimento direcionado, Portugal pode facilmente ficar arredado da investigação de ponta, apesar de a Ciência ter sofrido um desenvolvimento tão rápido em relativamente poucos anos.

Os investigadores têm realizado este trabalho ao longo de mais de 15 anos. Este prémio sublinha a importância de uma política científica estruturada, em especial num país com um tecido científico tão frágil como o português. 

Os neutrinos estão a ser muito investigados atualmente, e foi a descoberta da sua oscilação que atribuiu o Prémio Nobel da Física de 2015, a Takaaki Kajita e Arthur McDonald (diretores das experiências SuperKamiokande e SNO). Na atribuição do Prémio Breakthrough foram distinguidas cinco colaborações internacionais: SuperKamiokande, SNO, K2K/T2K, KamLAND e Daya Bay, que englobaram quase 1400 investigadores. Este tipo de colaborações internacionais envolvendo um grande número de investigadores são muito frequentes atualmente, permitindo às equipas realizar experiências que, de outra forma, não conseguiriam.

Foto de Amber Case/Flickr. Construção do observatório de neutrinos de SuperKamiokande.

O Prémio Breakthrough para a Física Fundamental foi criado em 2012 pelo empresário e físico russo Yuri Milner, no valor de 3 milhões de dólares. Depois da sua instituição, passou a ser atribuído também às Ciências da Vida e Matemática. A atribuição do prémio é um evento de passadeira vermelha nos Estados Unidos, e este ano foi apresentado numa cerimónia no Centro de Investigação Ames da NASA, na Califórnia no início de novembro. Foi transmitido em direto no canal de televisão da National Geographic e em diferido também na Fox, nos Estados Unidos. Na cerimónia estiveram presentes não só figuras importantes da investigação e academia, mas também do mundo do espetáculo e entretenimento. O ator e realizador Seth MacFarlane fez a apresentação da cerimónia, que contou ainda com a presença da cantora Christina Aguilera, e dos atores Russell Crowe, Kate Hudson e Hilary Swank, que entregaram prémios. Pharrell Williams deu um pequeno concerto ao vivo e, entre os atuais júris do prémio encontra-se Mark Zuckerberg, fundador do FaceBook.

Desde 2005 que o LIP participa numa das experiências que foram premiadas, chamada SNO (Sudbury Neutrino Observatory), que estuda os neutrinos solares. O Laboratório está em fase de preparação da continuação da mesma experiência, intitulada SNO+, na qual irão trabalhar em conjunto os quatro investigadores premiados: José Maneira, Nuno Barros, Sofia Andringa e Gersende Prior. O esquerda.net entrevistou José Maneira, responsável pelo grupo de física de neutrinos do LIP desde 2005 e que começou a trabalhar em SNO em 2002 na Universidade de Queen's (Canadá). Nuno Barros fez o doutoramento no LIP (que defendeu na Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa) sobre os resultados finais de SNO, em particular a oscilação de neutrinos e está atualmente na Universidade da Pennsylvania (Estados Unidos). Sofia Andringa integra o grupo de física de neutrinos do LIP desde 2006 e trabalhou na experiência de neutrinos e acelerador de partículas no K2K, Institut de Física de Altes Energies (Universidade Autónoma de Barcelona). Finalmente, Gersende Prior trabalhou em SNO, no Lawrence Berkeley National Laboratory (Estados Unidos) e está no LIP desde 2014.

Conversámos com José Maneira sobre os neutrinos, partículas elementares sem carga eléctrica, que podem atravessar grandes quantidades de matéria e longas distâncias, e que são muito difíceis de detectar. O investigador descreveu as experiências premiadas, que detectaram neutrinos de diferentes tipos, produzidos natural e artificialmente e que demonstraram que os neutrinos mudam as suas propriedades entre a produção e a detecção, contrariando o Modelo Padrão da Física de Partículas. Reproduzimos aqui a primeira parte da entrevista. A segunda parte será publicada na segunda-feira.

Foto de NASA/GSFC/SDO/Flickr. Erupção no Sol.

O que são os neutrinos e quais as suas características

"Sabemos que em princípio são partículas elementares, ou seja, que não são compostas por mais nenhuma outra partícula. Não têm carga eléctrica (o protão tem carga +1, o electrão tem carga -1) e são partículas que têm apenas uma das três interações das partículas subatómicas (interação electromagnética, interação forte e interação fraca).

A interação electromagnética, advém de as partículas subatómicas terem carga. A interação forte, faz com que os núcleos não expludam. A interação fraca, é responsável por vários processos como a radioatividade, fusão nuclear, fissão, etc. Esta é a única interação que os neutrinos sofrem. Eles não sofrem interação forte e, como têm carga zero, não sofrem interação electromagnética. Só têm a interação fraca e daí também decorre que, ao contrário de outras partículas que têm uma interação forte ou que também têm interação electromagnética, os neutrinos são muito difíceis de detetar."

Importância dos neutrinos

"Os neutrinos foram propostos em 1930, enquanto ideia teórica e foi preciso esperar 25 anos até à sua deteção experimental, foi muito difícil provar que existiam. Para conseguirmos ter uma interação de um neutrino num metro de água, se imaginarmos que temos um feixe de luz de neutrinos, precisamos de ter 10x19 neutrinos a atravessar a água, ou seja, 100000000000000000000. É uma quantidade enorme de neutrinos e é por isso que são tão difíceis de detetar, precisamos de fluxos muito elevados.

Os neutrinos atravessam-nos constantemente vindos do Sol, das estrelas, de todo o lado, e atravessam-nos como se nada fosse. Só muito raramente é que há uma interação de um neutrino dentro do nosso corpo, apesar de estarmos a ser constantemente atravessados por eles. Por terem uma interação tão fraca, há quem chame aos neutrinos “partículas fantasmagóricas”. No entanto, os neutrinos são muito abundantes no universo, são muito mais abundantes do que os protões, os electrões, do que o hidrogénio, e são quase tão abundantes como os fotões (as partículas de luz e de radiação electromagnética), e os neutrinos são produzidos e ficam no universo, a passear por todo o universo.

Apesar de os neutrinos terem uma interação fraca, como são produzidos numa densidade e num número elevado, podem ter consequências importantes no estudo da cosmologia, que explora o universo nas suas componentes mais extremas (em espaço, numa escala muito grande, de clusters de clusters de galáxias; e na escala de tempo, na origem do universo ou do big bang).

Portanto, apesar de os neutrinos terem uma interação tão fraquinha, como também são produzidas numa densidade e num número tão elevado, podem ter consequências importantes. Em particular, no estudo da cosmologia, da física, e da astrofísica, que exploram o universo nas suas componentes mais extremas (em espaço, ou seja, numa escala muito grande, que não é na escala do sistema solar, nem da galáxia, ou clusters de galáxias, é na escala de clusters de clusters de galáxias; e também na escala de tempo, na origem do universo, na origem dos processos do big bang, etc.). Logo, é nessa escala que se pensa que os neutrinos têm um papel importante, e daí a importância de conhecermos as suas propriedades, a sua importância está mais relacionada com as implicações que podem ter na astrofísica e na cosmologia, do que propriamente com a nossa vida do dia a dia."

Deteção de neutrinos como forma de observar reações no centro do Sol

"No início do século, por volta dos anos 30, 40, começou a pensar-se que a energia nuclear, a fusão nuclear seria o processo responsável pela produção de energia no Sol e nas estrelas em geral. Mas era um processo difícil de comprovar experimentalmente, até que se pensou em utilizar os neutrinos para tentar provar a existência de reações nucleares no interior do Sol.

A dificuldade em provar estas reações é que as reações nucleares, a existirem, tinham que se dar mesmo no centro do Sol e a sua energia seria propagada lentamente até ao exterior. Mas o que vemos em termos de radiação electromagnética da luz que vem do Sol, já não é a luz produzida directamente nas reações nucleares. Já é muito degradada, são sub produtos. Mas se há realmente estas reações nucleares no interior do Sol, essas reações, além de produzirem toda essa energia, também produzem neutrinos. E os neutrinos, por sua vez, tendo essa interação tão fraca, são produzidos no centro atravessam o Sol como se nada fosse, chegando até nós sem ter muito efeito de outras interações. Portanto, a motivação inicial para começar a fazer o estudo da física dos neutrinos solares foi a possibilidade de, se conseguíssemos detectar neutrinos vindos doSol na Terra estaríamos, no fundo, a observar diretamente o core, o centro do Sol."

Foto de Lawrence Berkeley Nat'l Lab - Roy Kaltschmidt/Flickr. SNO (Sudbury Neutrino Observatory). Localizado numa gruta subterrânea no Canadá, o SNO é uma espécie de telescópio para observar neutrinos. Consiste numa esfera geodésica em aço inoxidável com 18 metros de diâmetro, dentro de um recipiente acrílico cheio com 1000 toneladas de água pesada (óxido de deutério). Ligados à esfera estão 9522 sensores de luz ultra sensíveis. Quando os neutrinos que atravessam a água pesada interagem com os núcleos de deutério, emitem um sinal de luz. Estes sinais são detetados pelos sensores de luz e por eles convertidos em sinais eletrónicos, que são analisados pelos cientistas que estudam a presença das três famílias de neutrinos.

Do Sol a meio-gás às oscilações dos neutrinos

"A motivação inicial era estudar os neutrinos doSol, mas, surpresa das surpresas, começou-se a ver que havia menos neutrinos a chegar à Terra do que aquilo que os modelos de funcionamento das estrelas previam. Então começou-se a pensar, “será que o Sol está a funcionar a “meio-gás””? E “será que o Sol vai acabar daqui a algumas centenas de anos, daqui a alguns séculos?”, porque as reações nucleares no centro do Sol estão a ser mais lentas do que aquilo de que estaríamos à espera.

Estas hipóteses foram colocadas nos anos 60, porque a primeira experiência observou sensivelmente um terço dos neutrinos de que estavam à espera, e isto interpretado de uma forma simplista, afirmando alguns cientistas que o Sol estava a funcionar a um terço daquilo que devia. O que não era claramente verdade, porque observávamos e víamos a luminosidade do Sol. No entanto, como há um atraso entre aquilo que é a produção no centro do Sol e a energia chegar cá fora, poderia haver um modelo estranho em que, neste momento, estivéssemos a ver a luminosidade que estava a ser produzida em reações nucleares de há algumas centenas de anos, e só daqui a alguns anos é que veríamos as reações que estavam a ocorrer nos anos 60.

O fenómeno das oscilações dos neutrinos veio demonstrar que a hipótese de o Sol brilhar menos estava errada, o que estava a acontecer é que os neutrinos estavam a mudar as suas propriedades desde a sua produção, no centro do Sol, até à sua deteção, na terra. Logo, uma experiência que queria saber mais sobre o Sol, acabou a saber mais sobre os neutrinos em si, sobre as suas propriedades. Acho que isso é um exemplo engraçado porque mostra como muitas vezes a ciência é assim, vamos à procura de determinada coisa, para tentar estudar um determinado assunto, e acabamos por pensar “espera lá, isto está aqui um bocadinho esquisito, o que será isto?” e a física dos neutrinos está cheia destes exemplos."

Neutrinos para todos os gostos

"Os neutrinos não têm carga, mas são divididos em três tipos ou famílias de neutrinos, a que chamamos, de uma forma um pouco abstrata, “sabores”. É uma forma de dar nome a uma propriedade que os distingue. Os neutrinos têm três sabores. No Sol são produzidos apenas neutrinos de um tipo, os neutrinos do electrão (porque estão associados aos electrões). Há outros dois tipos, que não estavam a ser detetados nas experiências. E isso poderia indicar que os neutrinos estavam a mudar de neutrinos do electrão para neutrinos de outro tipo. Ou seja, surgiu a hipótese que o número de neutrinos que estaria a chegar à Terra seria o mesmo, mas eles acabavam por chegar alterados, e apenas uma parte deles chegava como neutrinos do electrão.

Uma das experiências agora premiadas pelo Breakthrough Prize, aquela em que eu trabalhei, e trabalhou também a minha colega Gersende Prior, aconteceu no Canadá e que tinha como objetivo conseguir detetar os neutrinos de todos os tipos, independentemente do seu sabor. Ao conseguir fazer essa deteção em todos os sabores, os resultados da deteção de neutrinos vindos do centro do Sol passaram a ser exatamente aquilo que o modelo solar prevê.

Além disso, a experiência descriminava também o número de neutrinos de cada sabor e demonstrou que havia um terço dos fluxos de cada sabor. Efetivamente, só havia um terço de neutrinos de sabor original, mas em todos os sabores, estava o número total de neutrinos previstos. Ou seja, provou que os sabores estavam a mudar, a oscilar."

Foto de Lawrence Berkeley Nat'l Lab - Roy Kaltschmidt/Flickr. SNO. Os 9522 sensores de luz ultra sensíveis ligados à esfera geodésica.

Oscilação dos neutrinos demonstra que têm massa

"Em alguns casos essa oscilação, essa mudança entre neutrinos do eletrão e neutrinos de outros sabores segue uma função sinusoidal. Quer isto dizer que é periódica, seguindo uma função de seno ao quadrado, que é uma função oscilatória, e daí falarmos na oscilação dos neutrinos. Mas, para esta transformação acontecer, é preciso que os neutrinos tenham massa diferente de zero, contrariando o modelo padrão da física de partículas que estava em vigor até há relativamente pouco tempo, até há cerca de 10 anos atrás. Se os neutrinos, tal como previsto nesse modelo, tivessem massa exactamente igual a zero, não poderiam fazer essa mudança de sabor. Mas as experiências vieram provar que os neutrinos mudam de sabor e que, por isso, têm de ter uma massa diferente de zero.

Isto foi observado pela primeira vez com neutrinos “naturais”, produzidos nos raios cósmicos no topo da atmosfera, que foram observados numa experiência no Japão, chamada SuperKamiokande. Algo muito interessante na física dos neutrinos é que estamos a fazer física de partículas fundamental, mas utilizando fontes naturais, como neutrinos vindos doSol, ou do topo da atmosfera. Alguns anos mais tarde, tanto os resultados de SuperKamiokande, que ganhou o Nobel [da física, em 2015], como os da experiência no Canadá, chamada SNO, foram confirmados com neutrinos de fontes terrestres."

Deteção de neutrinos de fontes naturais e artificiais

"No caso da experiência SNO, houve uma confirmação com neutrinos produzidos em reatores nucleares no Japão, numa experiência que observou neutrinos de reatores a uma distância de mais ou menos de 180 km. Do ponto de vista da deteção, quanto mais próximo se estiver da fonte dos neutrinos, melhor, porque o fluxo é mais alto. Mas se a deteção for feita muito próxima da fonte, não dá tempo para haver a oscilação. Portanto, para observarmos a oscilação é preciso estarmos a uma distância tal que a oscilação seja grande, mas tem de ser experimentalmente observável, e se estivermos demasiado próximos, não dá tempo ainda para fazer a mudança nos sabores dos neutrinos.

Foto de Lawrence Berkeley Nat'l Lab - Roy Kaltschmidt/Flickr. Cavidade acrílica do SNO, estrutura da esfera geodésica.

No caso dos neutrinos de raios cósmicos, a confirmação da oscilação veio com neutrinos de acelerador, produzidos artificialmente em aceleradores de partículas. Logo no início dos anos 2000 houve uma experiência no Japão em que foi produzido um feixe e enviado para o mesmo detetor de raios cósmicos. Nesta experiência participou a Sofia Andringa, e foi através dessa participação que recebeu o prémio.

Houve aqui um quadro em que tínhamos duas experiências que estavam a observar neutrinos de fontes naturais e depois houve várias outras que fizeram confirmação dessa observação com fontes artificiais. Normalmente, para considerarmos uma descoberta como factual e aceite, é sempre preciso que haja uma confirmação. Se houver apenas uma experiência a relatar um determinado resultado, é preciso haver outra a confirmar o resultado de forma independente. Isso já está perfeitamente validado e houve mais três experiências que foram incluídas não no Nobel, e o prémio Breakthrough Prize, foi para cinco colaborações."

A segunda parte desta entrevista, sobre as políticas de investimento em investigação e suas consequêncuas, será publicada na próxima segunda-feira.

Sobre o/a autor(a)

Doutorada em sociologia da infância
Termos relacionados Ciência, Cultura
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