Por que os físicos estão caçando as partículas mais estranhas do fantasma?


A cada segundo de cada dia, você está sendo bombardeado por trilhões de trilhões de partículas subatômicas, caindo das profundezas do espaço. Eles sopram através de você com a força de um furacão cósmico, explodindo quase à velocidade da luz. Eles estão vindo de todo o céu, em todos os momentos do dia e da noite. Eles penetram no campo magnético da Terra e nossa atmosfera protetora gosta tanto de manteiga.

E, no entanto, o cabelo no alto da sua cabeça não é nem mesmo arrepiado.

O que está acontecendo?

Essas minúsculas balas são chamadas de neutrinos, termo cunhado em 1934 pelo brilhante físico Enrico Fermi. A palavra é vagamente italiana para "pouco neutra", e sua existência foi suposta para explicar uma reação nuclear muito curiosa. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Às vezes os elementos parecem um pouco … instáveis. E se ficarem sozinhos por muito tempo, desmoronam e se transformam em outra coisa, algo um pouco mais leve na tabela periódica. Além disso, um pequeno elétron apareceria. Mas na década de 1920, observações cuidadosas e detalhadas desses decaimentos encontraram pequenas discrepâncias mesquinhas. A energia total no início do processo era um pouquinho maior que a energia que sai. A matemática não se somava. Ímpar.

Então, alguns físicos inventaram uma nova partícula de pano inteiro. Algo para levar embora a energia que falta. Algo pequeno, algo leve, algo sem carga. Algo que poderia passar despercebido pelos seus detectores.

Um pouco neutro. Um neutrino.

Demorou mais algumas décadas para confirmar a sua existência – é assim que escorregadio e astuto e sorrateiro eles são. Mas em 1956, os neutrinos se juntaram à crescente família de partículas conhecidas, medidas e confirmadas.

E então as coisas ficaram estranhas.

O problema começou a fermentar com a descoberta do múon, que coincidentemente ocorreu na mesma época em que a ideia de neutrino começava a ganhar terreno: a década de 1930. O muon é quase exatamente como um elétron. Mesma carga. Mesma rotação. Mas é diferente de uma maneira crucial: é mais pesado, mais de 200 vezes mais massivo que seu irmão, o elétron.

Muons participam de seus próprios tipos de reações, mas não tendem a durar muito tempo. Por causa de seu volume impressionante, eles são muito instáveis ​​e rapidamente decaem em chuveiros de bits menores ("rapidamente" aqui significa dentro de um microssegundo ou dois).

Isso é tudo muito bem, então por que os múons entram na história dos neutrinos?

Os físicos notaram que as reações de decaimento que sugeriam a existência do neutrino sempre tinham um elétron aparecendo e nunca um muon. Em outras reações, os múons estourariam e não os elétrons. Para explicar essas descobertas, eles raciocinaram que os neutrinos sempre se equiparam aos elétrons nessas reações de decaimento (e não a qualquer outro tipo de neutrino), enquanto elétron, o múon deve ser emparelhado com um tipo de neutrino ainda não descoberto. neutrino amigo do elétron não seria capaz de explicar as observações dos eventos do múon. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

E assim a caça continuou. E em diante. E em diante. Não foi até 1962 que os físicos finalmente conseguiram bloquear o segundo tipo de neutrino. Originalmente foi apelidado de "neutreto", mas cabeças mais racionais prevaleceram com o esquema de chamá-lo de neutrino-múon, uma vez que ele sempre se encaixava em reações com o múon.

Ok, então dois neutrinos confirmados. A natureza tem mais na loja para nós? Em 1975, pesquisadores do Stanford Linear Accelerator Center corajosamente vasculharam montanhas de dados monótonos para revelar a existência de um irmão ainda mais pesado para o ágil elétron e o muão pesado: o enorme tau, com clock de 3.500 vezes a massa do elétron. . Isso é uma grande partícula!

Então, imediatamente, a questão se tornou: se há uma família de três partículas, o elétron, o múon e o tau … poderia haver um terceiro neutrino, para combinar com essa nova criatura?

Talvez talvez não. Talvez haja apenas os dois neutrinos. Talvez haja quatro. Talvez 17. A natureza não tenha exatamente atendido às nossas expectativas antes, então não há razão para começar agora.

Ignorando muitos detalhes horríveis, ao longo das décadas, os físicos se convenceram, usando uma variedade de experimentos e observações, de que um terceiro neutrino deveria existir. Mas não foi até a borda do milênio, em 2000, que um experimento especificamente projetado no Fermilab (chamado humoristicamente o experimento DONUT, para Observação Direta do NU Tau, e não, eu não estou inventando) finalmente chegou avistamentos confirmados suficientes para reivindicar corretamente uma detecção.

Então, por que nos importamos tanto com os neutrinos? Por que temos perseguido por mais de 70 anos, desde antes da Segunda Guerra Mundial até a era moderna? Por que gerações de cientistas ficaram tão fascinados por esses pequenos e neutros?

A razão é que os neutrinos continuam a viver fora de nossas expectativas. Por muito tempo, nem tínhamos certeza se eles existiam. Por um longo tempo, estávamos convencidos de que eles estavam completamente sem massa, até que experimentos irritantemente descobriram que deviam ter massa. Exatamente "quanto" continua sendo um problema moderno. E os neutrinos têm esse hábito irritante de mudar de personagem enquanto viajam. Isso mesmo, como um neutrino viaja em vôo, ele pode trocar máscaras entre os três sabores.

Pode até haver ainda um neutrino adicional por aí que não participa de nenhuma interação normal – algo conhecido como o neutrino estéril, pelo qual os físicos estão procurando avidamente.

Em outras palavras, os neutrinos desafiam continuamente tudo o que sabemos sobre física. E se há uma coisa de que precisamos, tanto no passado quanto no futuro, é um bom desafio.

Paul M. Sutter é um astrofísico em Universidade Estadual de Ohiohost de Pergunte a um astronauta e Rádio Espaciale autor de Seu lugar no universo.

Originalmente publicado em Ciência Viva.