Neutrinos solares transformam carbono-13 em azoto-13: cientistas observam reação pela primeira vez

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

É a primeira vez que esta rara reação nuclear, mediada por neutrinos, é observada. A descoberta mostra como algumas das partículas mais esquivas e intangíveis do Universo conseguem, ainda assim, alterar discretamente a matéria na escuridão subterrânea, longe da superfície.

«Esta descoberta utiliza a abundância natural de carbono-13 no cintilador líquido 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, à energia mais baixa até à data, de interações de neutrinos com núcleos de carbono-13 e fornecem a primeira medição direta da secção eficaz desta reação nuclear específica que produz um núcleo de azoto-13 no estado fundamental.»

Porque são difíceis de detetar os neutrinos solares

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

No entanto, não têm carga elétrica, a sua massa é quase nula e raramente interagem com as partículas que encontram. Neste preciso momento, centenas de milhares de milhões de neutrinos atravessam o corpo de cada pessoa como fantasmas. É por isso que são carinhosamente conhecidos como partículas fantasma.

De vez em quando, porém, um neutrino colide com outra partícula, produzindo um clarão infinitesimal e uma cascata de outras partículas. Estes sinais são difíceis de identificar à superfície da Terra, onde os raios cósmicos e a radiação de fundo os ocultam.

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, enormes câmaras revestidas de fotodetetores contêm um cintilador líquido, que amplifica os minúsculos sinais gerados pelas raras interações dos neutrinos na escuridão total e silenciosa.

Os neutrinos formados no centro do Sol atravessam continuamente 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. À profundidade de 2 quilómetros a que se encontra o detetor SNO+ do SNOLAB, quase todos os eventos nessa faixa de energia têm origem solar.

Como os neutrinos transformam carbono-13 em azoto-13

A equipa de investigação, liderada pelo físico Gulliver Milton, da Universidade de Oxford, no Reino Unido, analisou os dados recolhidos pelo SNO+ entre 4 de maio de 2022 e 29 de junho de 2023. Procurava 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 tem dois efeitos. Primeiro, quando o núcleo atómico absorve o neutrino, é produzido um eletrão, uma partícula de carga negativa.

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

Ao passar de seis para sete protões, o átomo deixa de ser carbono e passa a ser azoto-13, com sete protões e seis neutrões.

Cerca de 10 minutos depois, o azoto-13 resultante decai, emitindo um antieletrão, ou positrão, que denuncia a sua presença. Trata-se de um isótopo radioativo instável do azoto, com uma semivida de 10 minutos.

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

O que revelaram os dados do SNO+

Em 231 dias de dados de observação, os investigadores identificaram 60 eventos candidatos. Ao introduzirem esses dados no seu modelo estatístico, estimaram que 5,6 eram transmutações de carbono em azoto provocadas por neutrinos, um valor bastante próximo dos 4,7 eventos que esperavam encontrar.

«Captar 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 centro do Sol e percorreram distâncias imensas até chegar ao nosso detetor.»

O resultado é entusiasmante: confirmar previsões teóricas é sempre gratificante, pois indica que a ciência está no caminho certo.

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

«Os próprios neutrinos solares são há muitos anos um tema de estudo intrigante, e as medições feitas pela experiência que precedeu a nossa, a SNO, conduziram ao Prémio Nobel da Física de 2015», diz 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.