Na Estação Pólo Sul Amundsen-Scott, na Antártida, fica o Observatório IceCube Neutrino - uma instalação dedicada ao estudo de partículas elementares conhecidas como neutrino. Esse conjunto consiste em 5.160 sensores ópticos esféricos - Módulos Óticos Digitais (DOMs) - enterrados em um quilômetro cúbico de gelo limpo. Atualmente, esse observatório é o maior detector de neutrinos do mundo e passou os últimos sete anos estudando como essas partículas se comportam e interagem.
O estudo mais recente divulgado pela colaboração IceCube, com a assistência de físicos da Universidade Estadual da Pensilvânia, mediu a capacidade da Terra de bloquear neutrinos pela primeira vez. Consistente com o Modelo Padrão da Física de Partículas, eles determinaram que, enquanto trilhões de neutrinos passam pela Terra (e nós) regularmente, alguns são ocasionalmente interrompidos por ela.
O estudo, intitulado “Medição da seção transversal de interação de neutrinos com TeC-Ice usando a absorção da terra”, apareceu recentemente na revista científica Natureza. Os resultados da equipe de estudo foram baseados na observação de 10.784 interações feitas por neutrinos de alta energia e movimento ascendente, que foram registrados ao longo de um ano no observatório.
Em 2013, as primeiras detecções de neutrinos de alta energia foram feitas pela colaboração IceCube. Esses neutrinos - que se acreditava serem de origem astrofísica - estavam na faixa de volt peta-elétron, tornando-os os neutrinos de energia mais alta descobertos até hoje. O IceCube procura sinais dessas interações procurando a radiação Cherenkov, que é produzida depois que as partículas carregadas em movimento rápido são desaceleradas ao interagir com a matéria normal.
Ao detectar neutrinos que interagem com o gelo límpido, os instrumentos IceCube foram capazes de estimar a energia e a direção da viagem dos neutrinos. Apesar dessas detecções, no entanto, permaneceu o mistério de saber se algum tipo de matéria poderia parar um neutrino enquanto ele viajava pelo espaço. De acordo com o Modelo Padrão de Física de Partículas, isso é algo que deve acontecer ocasionalmente.
Após observar as interações no IceCube por um ano, a equipe científica descobriu que os neutrinos que precisavam viajar mais longe pela Terra eram menos propensos a alcançar o detector. Como Doug Cowen, professor de física e astronomia / astrofísica da Penn State, explicou em um comunicado de imprensa da Penn State:
“Essa conquista é importante porque mostra, pela primeira vez, que os neutrinos de alta energia podem ser absorvidos por alguma coisa - neste caso, a Terra. Sabíamos que os neutrinos de baixa energia passam por praticamente qualquer coisa, mas, embora esperássemos que os neutrinos de alta energia fossem diferentes, nenhum experimento anterior foi capaz de demonstrar de forma convincente que os neutrinos de alta energia poderiam ser impedidos por qualquer coisa. ”
A existência de neutrinos foi proposta pela primeira vez em 1930 pelo físico teórico Wolfgang Pauli, que postulou sua existência como uma maneira de explicar o decaimento beta em termos de conservação da lei de energia. Eles são assim chamados porque são eletricamente neutros e só interagem com a matéria de maneira muito fraca - ou seja, através da fraca força subatômica e da gravidade. Por esse motivo, os neutrinos passam pela matéria normal regularmente.
Enquanto os neutrinos são produzidos regularmente por estrelas e reatores nucleares aqui na Terra, os primeiros neutrinos foram formados durante o Big Bang. O estudo de sua interação com a matéria normal pode, portanto, nos dizer muito sobre como o Universo evoluiu ao longo de bilhões de anos. Muitos cientistas antecipam que o estudo dos neutrinos indicará a existência de uma nova física, que vai além do modelo padrão.
Por esse motivo, a equipe científica ficou um pouco surpresa (e talvez decepcionada) com seus resultados. Como explicou Francis Halzen - o principal pesquisador do Observatório IceCube Neutrino e professor de física da Universidade de Wisconsin-Madison:
“Entender como os neutrinos interagem é essencial para a operação do IceCube. Obviamente, esperávamos que aparecesse uma nova física, mas infelizmente descobrimos que o Modelo Padrão, como sempre, suporta o teste.
Na maior parte, os neutrinos selecionados para este estudo eram mais de um milhão de vezes mais energéticos do que os produzidos por nossas usinas solares ou nucleares. A análise também incluiu alguns que eram de natureza astrofísica - ou seja, produzidos além da atmosfera da Terra - e podem ter sido acelerados em direção à Terra por buracos negros supermassivos (SMBHs).
Darren Grant, professor de física da Universidade de Alberta, também é o porta-voz da colaboração IceCube. Como ele indicou, este último estudo de interação abre portas para futuras pesquisas com neutrinos. "Os neutrinos têm uma reputação merecida de nos surpreender com seu comportamento", disse ele. "É incrivelmente emocionante ver essa primeira medição e o potencial que ela possui para futuros testes de precisão".
Este estudo não apenas forneceu a primeira medição da absorção de neutrinos da Terra, mas também oferece oportunidades para pesquisadores geofísicos que esperam usar neutrinos para explorar o interior da Terra. Dado que a Terra é capaz de parar alguns dos bilhões de partículas de alta energia que passam por ela rotineiramente, os cientistas poderiam desenvolver um método para estudar o núcleo interno e externo da Terra, colocando restrições mais precisas em seus tamanhos e densidades.
Também mostra que o Observatório IceCube é capaz de ir além de seu objetivo original, que era a pesquisa de física de partículas e o estudo de neutrinos. Como este último estudo mostra claramente, é capaz de contribuir também para a pesquisa em ciências planetárias e a física nuclear. Os físicos também esperam usar o conjunto completo de 86 cordas IceCube para conduzir uma análise de vários anos, examinando faixas ainda mais altas de energias de neutrinos.
Como indicou James Whitmore - o diretor do programa da divisão de física da National Science Foundation (NSF) (que fornece suporte ao IceCube), isso poderia permitir que eles pesquisassem verdadeiramente a física que vai além do modelo padrão.
“O IceCube foi construído para explorar as fronteiras da física e, ao fazer isso, possivelmente desafiar as percepções existentes sobre a natureza do universo. Esta nova descoberta e outras ainda por vir estão nesse espírito de descoberta científica. ”
Desde a descoberta do bóson de Higgs em 2012, os físicos estão seguros de que a longa jornada para confirmar o Modelo Padrão estava completa. Desde então, eles definiram seus cenários ainda mais, na esperança de encontrar uma nova física que pudesse resolver alguns dos mistérios mais profundos do Universo - ou seja, supersimetria, uma Teoria de Tudo (ToE), etc.
Isso, além de estudar como a física funciona nos níveis mais altos de energia (semelhantes aos que existiam durante o Big Bang), é a preocupação atual dos físicos. Se eles forem bem-sucedidos, talvez possamos entender como essa coisa maciça conhecida como Universo funciona.
