As Aplicações de Neutrinos na Astronomia

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Universidade Federal do Rio de Janeiro

Fundamentos de Astronomia

Douglas Ferreira de Souza

Neutrinos, e suas aplicações na astronomia

01 Julho, 2019

Sumário

Introdução ....................................................... 03

Os neutrinos .................................................... 03

A história dos neutrinos .................................. 04

Detecção de neutrinos ................................... 08

Os diversos usos dos neutrinos

na astronomia ................................................. 09

Bibliografia ...................................................... 12

Introdução

Não se sinta assustado, mas até o final da leitura deste trabalho, cada um de nós terá emitido mais de 30 milhões de neutrinos, devido a 20 mg de um elemento radioativo, o potássio 40 (40K19), presente em nossos organismos. Além disso, num único segundo, estamos sendo atravessados por 50 bilhões dessas partículas provenientes da radioatividade natural da Terra e por outros 10 bilhões a 100 bilhões gerados em reatores nucleares pelo mundo. Completam essa chuva invisível mais cerca de 300 trilhões de neutrinos vindos do Sol.

Neutrinos são partículas elementares, isto é, eles não são constituídos por outras subpartículas – como os átomos. Com cerca de um milhão de vezes menos massa que um elétron, os neutrinos atravessam facilmente a matéria, e não são afetados por campos eletromagnéticos, por isso eles raramente interagem com alguma coisa. Daquelas centenas de trilhões de neutrinos que eu havia contado que estão lhe atravessando a cada segundo, apenas dez deles irão interagir com o seu corpo em toda a sua vida. Os verdadeiros fantasmas da física.

Para se ter uma noção, seria necessária uma placa de chumbo com espessura de 1 ano-luz para conseguir barrar apenas 50% dos neutrinos que incidem sobre esta.

Isto significa que eles podem viajar pelo universo em linha reta durante milhões, ou bilhões de anos, levando consigo, em segurança, informações sobre o lugar onde vieram – o que faz dessas partículas mensageiros de melhor categoria. Portanto, se os capturarmos, eles podem muito sobre os ambientes mais longínquos e extremos do universo.

Os neutrinos

Os neutrinos parecem constituir por número de espécies não menos de um quarto das partículas que fazem todo o mundo, e até metade das estáveis. Pelo número de partículas no Universo eles perdem apenas para fótons (a densidade conhecida é de 300 neutrinos por cm³). Mesmo depois de 70 anos desde a primeira suspeita de sua existência, é incrível como sabemos tão poucos detalhes sobre as suas propriedades.

Sabe-se que o neutrino é uma partícula subatômica sem carga elétrica e que interage com outras partículas apenas por meio da gravidade e da força nuclear fraca (duas das quatro forças fundamentais da Natureza, ao lado da eletromagnética e da força nuclear forte). É conhecido por suas características extremas: é extremamente leve, existe com enorme abundância e interage com a matéria de forma extremamente débil - como já vimos aqui anteriormente.

Na figura a seguir entram-se todas as partículas elementares conhecidas atualmente pelo modelo padrão, é quase como uma “tabela periódica dos físicos”.

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Vemos que os neutrinos são partículas classificadas como léptons (grego para "leve"), e vêm em três sabores: do elétron, do múon e do tau. Eles têm esses nomes porque o neutrino do elétron só participa de interações entre partículas subatômicas em que o elétron também participa; o do múon só naquelas em que o múon também participa; e o mesmo com o do tau.

Existem também os antineutrinos, ou antipartículas dos neutrinos. Ocorrem também em três tipos: do elétron, do múon e do tau.

Os três tipos de neutrinos transformam-se espontaneamente uns nos outros, fenômeno conhecido por "oscilação de neutrinos", que veremos mais para frente, pois para entender melhor estas partículas precisaremos entender primeiro a história delas.

A história dos neutrinos

Desde 1914, os físicos que estudavam as propriedades atômicas se deparavam com um problema relacionado ao decaimento beta, um tipo de radioatividade emitida por certos núcleos atômicos, onde um elemento se torna um outro de número atómico uma unidade maior. Notava-se algo de estranho nesse fenômeno, no qual um elétron é emitido pelo núcleo. Porém, as contas do balanço energético não fechavam, ou seja, quando se somava a energia da partícula expelida com a do núcleo recém-criado, obtinha-se menos energia que aquela contida no núcleo inicial. 

O elétron emitido era sempre observado com uma energia menor que o esperado em um problema de transição entre dois corpos (elétron e núcleo atômico). Vale salientar, rapidamente, que na época acreditava-se que átomos eram compostos apenas por prótons e elétrons. Supostamente haviam elétrons que ficavam dentro do núcleo e outros que o orbitavam, ainda não se tinha evidências de partículas eletricamente neutras, que hoje conhecemos como nêutrons. 

O problema do decaimento beta não parecia ser regido pelas leis do eletromagnetismo, e era tão sério que levou grandes físicos, como Niels Bohr (1885-1962), até mesmo a propor abandonar a lei da conservação da energia - um pilar sagrado da física. Quando soube da proposta de seu colega dinamarquês, o inglês Paul Dirac (1902-1984) respondeu: “Somente por cima do meu cadáver [a lei da conservação da energia será abandonada]”. 

Em 4 de dezembro de 1930, o físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) escreveu, de Zurique (Suíça), uma carta para sua colega e compatriota Lisa Meitner (1878-1968). Aquela uma página, que deveria ser lida para os participantes de uma conferência em Tübingen (Alemanha), começava assim: “Caros Senhoras e Senhores Radioativos...”. Nos parágrafos seguintes, escreveu Pauli, “uma nova partícula pode estar sendo emitida juntamente com o elétron, carregando a energia que falta”. Batizada provisoriamente por Pauli partícula X, ela seria neutra (sem carga elétrica), possivelmente sem massa e responsável pelo filão de energia faltante no decaimento beta.[pic 3][pic 4]

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