Partículas fantasmas detectadas no lado distante da Terra reforçam teoria crucial da física

Se algum dia formos realmente entender como nosso Universo funciona, vamos precisar de diferentes medições. Porém, tirar medidas pode ser uma das tarefas mais difíceis da ciência. Como, por exemplo, os cientistas medem algo invisível que atravessa diretamente, sem hesitação, matérias sólidas? As invenções que os cientistas criam para tornar isso possível são frequentemente incríveis — mesmo que as medições feitas tenham resultados completamente esperados.

Nesta quarta-feira (22), cientistas da colaboração IceCube anunciaram uma medição de física de partículas relativamente esotérica, mas fundamental: a taxa com que as elusivas partículas de neutrino interagem com outras partículas em suas mais altas energias. O resultado foi consistente com a teoria física. Mas foi preciso um telescópio enterrado em um quilômetro cúbico no gelo do Polo Sul apontando através da Terra para medir as propriedades de partículas produzidas do outro lado do planeta.

Ah, eu mencionei que o telescópio está no Polo Sul?

“Você está no meio do ano, a temperatura é de -28ºC a -40ºC, e a altitude, em torno de três quilômetros”, disse Spencer Klein, um dos vários autores do estudo e membro do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, na Califórnia, em entrevista ao Gizmodo. “Além de ser bastante gelado, é difícil de respirar… Você permanece em uma estação, moderna e confortável, que é o mais próximo de uma espaçonave que você verá na sua vida.”

Talvez você lembre que átomos são quebrados em partículas subatômicas, prótons, nêutrons e elétrons. Mas existe um outro tipo de partícula, o neutrino, que mal interage com a matéria normal; diferentemente de uma bola de beisebol que é parada por um muro, um neutrino pode atravessar toda a Terra sem parar. Mas elas podem desacelerar um pouco. Os físicos procuraram medir a seção transversal do neutrino — basicamente, o quão prováveis essas partículas são de trocar informações com as partículas mais comuns da Terra. É como enviar um fantasma através de uma multidão e observar a frequência com que as pessoas se assustaram com ele, medindo então se todo esse ato de assustar os outros cansou o fantasma. Nesse caso, os cientistas apenas queriam medir os neutrinos de maior energia, aqueles com muito mais energia do que qualquer coisa criada em experimentos de física de partículas como o Grande Colisor de Hádrons.

Os neutrinos se originam da chuva de restos criada quando a atmosfera da Terra impede a entrada de partículas de alta energia vindas do espaço. Os neutrinos viajam através da Terra para o IceCube, um detector com 5.160 sensores ópticos embutidos no gelo do Polo Sul. Eles podem interagir com os átomos no gelo e soltar partículas muito menos assustadoras chamadas de múons, que, em nossa analogia, seriam os gritos de susto das pessoas. Esses múons, por sua vez, emitem um brilho de luz azul, detectado pelos sensores. Os cientistas calcularam a seção transversal comparando as faixas dos neutrinos vindo através da Terra (aqueles que tiveram que interagir bastante) com aqueles vindo horizontalmente (aqueles que mal tiveram que interagir).

Nada incomum apareceu na medição — ela estava de acordo com o que teria previsto a principal teoria da física de partículas, o Modelo Padrão. Mas isso, por si só, já é importante, já que pode descartar algumas ideias teóricas mais malucas. Também demonstra que o Modelo Padrão é uma teoria muito boa.

“Ainda é bastante incrível”, disse Deborah Harris, porta-voz do experimento MINERvA, em entrevista ao Gizmodo. Basicamente, a teoria ainda funciona para partículas mil vezes mais energéticas que as usadas para estabelecê-la. Ela também gostou de como o experimento partiu de outros experimentos de neutrino para fazer sua medição única. Harris afirmou: “Esses caras são os únicos que podem medir esses neutrinos de alta energia”.

Outros experimentos malucos vão, em breve, se juntar ao IceCube na busca por neutrinos de alta energia e neutrinos do espaço, como o Cubic Kilometer Neutrino Telescope (KM3NeT), que vai funcionar com um conceito parecido no Mar Mediterrâneo. Mas o pessoal do KM3NeT ficou tão impressionado quanto, e um dos membros ficou feliz de ver o chegar ao prestigiado periódico Nature. “Esse é um dos belos exemplos do que você é capaz de fazer se tem uma máquina dessas”, Aart Heijboer, porta-voz do KM3NeT, contou ao Gizmodo. “Embora os detectores sejam motivados pela observação de objetos astronômicos usando neutrinos, você pode fazer física de partículas também.”

E embora a análise seja feita principalmente em universidades, é preciso um tipo especial de cientista para trabalhar em um telescópio no Polo Sul. “Essas pessoas, mesmo que cometam erros, têm como propósito descobrir a verdade”, disse o autor Mark Bowen, que recentemente publicou um livro sobre o IceCube chamado (“O Telescópio no Gelo”). “Elas precisam olhar a realidade nós olhos e não ser enganadas… É incrível o que você consegue encontrar quando tenta descobrir a verdade.”

Os pesquisadores vão continuar refinando suas medições — esse novo estudo levou em conta apenas cerca de dez mil desses neutrinos de energia super alta. Eles querem ver o que de fato acontece quando o neutrino interage, enquanto outros no experimento tentam entender de onde vêm os neutrinos que bombardeiam a Terra do espaço.

Mas o que mais animou o pessoal do IceCube foi a ciência que pode ser feita com um telescópio de neutrinos desses. “Isso mostra que o IceCube e experimentos com neutrino produzido naturalmente podem ser usados para fazer muita física interessante”, dsse Klein. “De certas formas, eles têm capacidades além do que você consegue com aceleradores, por causa das energias.”

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Imagem do topo: Stephan Richter, IceCube/NSF