Os mistérios da partícula que está em todos os lugares

Levante seu polegar. Cem bilhões de neutrinos voam através da sua unha a cada segundo, e cerca de cem trilhões passam seu corpo neste exato instante. Há oito minutos e meio, eles estavam no coração do Sol.

Neutrinos são criados em quantidade prodigiosa por reações nucleares geradoras de luz solar. Eles foram preditos pelo físico austríaco Wolfgang Pauli em 1930. Como muitos físicos de sua época, Pauli ficou perplexo com o decaimento beta radioativo, no qual o núcleo de um átomo cospe um elétron ou “partícula beta”, a fim de eliminar o excesso de energia e alcançar a estabilidade. Como o núcleo atômico perde uma quantidade fixa de energia nesse processo, a expectativa era de que os elétrons ejetados sempre tivessem a mesma energia. Surpreendentemente, no entanto, isso não acontece.

Pense em uma arma. Essa arma usa uma quantidade fixa de energia explosiva para disparar uma bala. Cada bala sai do cano da arma na mesma velocidade. Nunca acontece de uma bala sair em velocidade moderada, a seguinte sair em alta velocidade, e a terceira sair tão lentamente que caia no chão logo após sair do cano da arma. Mas isso é o que as minúsculas balas de elétrons cuspidas no decaimento beta fazem. Não surpreendentemente, os físicos ficaram chocados.

Pauli entra em cena. Em 1930, ele estava passando por um momento muito ruim. Sua mãe tinha cometido suicídio recentemente e ele acabara de se divorciar de sua esposa, uma dançarina de cabaré, quando ela fugiu com outro homem menos de um ano depois de se casarem. Ele ficou tão arrasado com tudo isso que mais tarde pediria aconselhamento ao psicólogo Carl Gustav Jung.

Talvez como uma distração de seus problemas pessoais, Pauli abordou o quebra-cabeça do decaimento beta. E, em uma carta de 30 de dezembro, ele propôs sua “solução desesperada” para o enigma. Pauli propunha que, juntamente com o elétron emitido no decaimento beta, talvez uma segunda partícula também estivesse sendo ejetada.

Pense na arma novamente. Se, quando uma bala sair do cano, surgir junto um segundo projétil, os dois compartilharão a energia do disparo. Se o outro projétil consumir muito pouco dessa energia, a bala levará a porção maior, e será disparada em rápida velocidade. Se o outro projétil consumir a maior parte da energia do disparo, a bala terá pouquíssima energia, saindo da arma em menor velocidade. De fato, dependendo de quanto da energia disponível é roubada pelo outro projétil, a bala poderia ter qualquer tipo de energia possível.

Segundo a proposição de Pauli, um neutrino poderia passar por trilhões de quilômetros de chumbo antes de ser parado, pois como não possui carga, é muito pequeno e tem uma massa igual a zero ou próxima a zero. Por isso, raramente interage com as outras partículas a seu redor. Quando formulou sua “solução desesperada”, Pauli apostou uma caixa de champanhe que seu neutrino nunca seria detectado e escreveu: “fiz algo muito feio hoje, ao propor uma partícula que não pode ser detectada”. Mas ele estava errado.

Entre os físicos que levaram a ideia de Pauli a sério, estava Enrico Fermi, que desenvolveu a teoria do decaimento beta em 1934, cunhando o nome “neutrino” (“pequeno neutro”) no processo. Ficou claro que se tal partícula existisse, ela deveria ser tanto muito leve (teria menos de 1% da massa de um próton), de modo que interagiria fracamente com a matéria, dificultando sua detecção.

Frederick Reinos e Clyde Conan haviam passado uma década explodindo bombas H em atóis remotos no Oceano Pacífico. Detectar uma partícula impossível de detectar era um desafio que os atraía. Sua primeira ideia foi detectar os neutrinos de uma explosão nuclear com um experimento localizado a apenas 50 metros do marco zero. Mas eles foram persuadidos a tentar um reator nuclear. Eles conseguiram, em 14 de junho de 1956, e informaram Pauli de sua descoberta.

Neutrinos são produzidos em quantidades inimagináveis pelo Sol e pelas estrelas. E vastos números sobrevivem do Big Bang. Por um grande fator, os neutrinos são as partículas mais comuns do universo. Mas, como são fantasmas que mal assombram o mundo da realidade física, você está perdoado por supor que eles são irrelevantes. Nada poderia estar mais longe da verdade.

Até agora, sabe-se que os neutrinos apresentam-se na natureza em três versões ou “sabores”: o eléctron neutrino (νe), muon neutrinos (νμ), or tau neutrinos (ντ). O interessante é que um neutrino, durante sua trajetória de um ponto a outro, apresenta-se nessas três versões ao mesmo tempo, todas em superposição na sua função de onda, e isso determina qual massa o neutrino terá. Por exemplo, um eléctron neutrino produzido por um decaimento beta pode interagir em um distante detector como um muon ou um tau, pois em seu caminho oscila em cada uma de suas três formas possíveis. Atualmente, os pesquisadores estão investigando se há uma quarta versão do neutrino, uma versão “neutra”, e se o neutrino é sua própria antipartícula.

Embora seja a partícula mais abundante no universo, pouco se sabe a respeito do neutrino, embora as pesquisas acenem com possibilidades entusiasmantes. Os neutrinos podem ser a matéria escura que controla o destino do universo. Eles poderiam explicar, também, por que vivemos em um universo de matéria e não de antimatéria.

Os neutrinos são a razão de estrelas massivas explodirem como “supernovas”. Embora uma supernova possa brilhar tão intensamente quanto uma galáxia de 100 bilhões de estrelas, apenas 1 por cento de sua energia é emitida como luz; 99 por cento consiste em neutrinos. São neutrinos que saem do núcleo de uma estrela moribunda que sopram o invólucro exterior da estrela para o espaço. O invólucro contém elementos que enriquecem as nuvens de gás interestelar, destinadas a se fragmentarem nas novas gerações de estrelas. O ferro em seu sangue, o cálcio em seus ossos, o oxigênio que enche seus pulmões cada vez que você respira: todos foram forjados dentro de estrelas que viveram e morreram antes que a Terra nascesse.

Sem neutrinos, os elementos essenciais para a vida permaneceriam para sempre presos dentro das estrelas. A verdade da partícula impossível de Pauli é que ela é mais crítica para o universo do que alguém poderia imaginar. Sem isso, você não estaria lendo essas palavras.


[Tradução de colaboradores do projeto HH do texto original The Mysteries of the Neutrino, adaptada pelos editores.]