Neutrinos solares flagrados a transformar carbono‑13 em nitrogénio‑13 a 2 km de profundidade

A milhares de metros sob os nossos pés, nas camadas mais profundas da crosta terrestre, cientistas conseguiram finalmente observar neutrinos solares a protagonizar uma transformação nuclear: a conversão de carbono‑13 em nitrogénio‑13.

É a primeira vez que esta reação nuclear rara, mediada por neutrinos, é vista diretamente. O resultado mostra como uma das partículas mais evasivas do Universo - quase intangível e normalmente “invisível” - ainda assim consegue, de forma silenciosa, alterar a matéria no escuro do subsolo, longe de qualquer influência da superfície.

Como o SNOLAB e o SNO+ tornaram visível o “invisível” (neutrinos solares, carbono‑13 e nitrogénio‑13)

A deteção foi feita no SNOLAB, o observatório de neutrinos no Canadá, usando o detetor SNO+. Segundo a física Christine Kraus, do SNOLAB, a descoberta aproveita a presença natural de carbono‑13 no cintilador líquido do experimento para quantificar uma interação específica e incomum.

Ela também destaca que, até onde se sabe, esta é a observação de menor energia já obtida para interações de neutrinos com núcleos de carbono‑13 e que o trabalho fornece a primeira medição direta da secção de choque desta reação nuclear particular quando o nitrogénio‑13 resultante é produzido no seu estado fundamental.

Porque os neutrinos são tão abundantes - e tão difíceis de apanhar

Os neutrinos estão entre as partículas mais numerosas do cosmos. Eles nascem em eventos energéticos, como explosões de supernovas, e também no processo de fusão nuclear que alimenta o interior das estrelas. Por isso, estão por toda a parte.

Ainda assim, são notoriamente complicados de detetar: não têm carga elétrica, a sua massa é quase nula e interagem muito pouco com outras partículas. Neste exato momento, centenas de milhares de milhões de neutrinos atravessam o seu corpo e continuam viagem praticamente sem “tocar” em nada - daí o apelido popular de partículas fantasma.

De vez em quando, porém, um neutrino colide com outra partícula. Quando isso acontece, o encontro gera um brilho extremamente fraco e produz uma cascata de partículas secundárias. O problema é que, à superfície, raios cósmicos e radiação de fundo mascaram esses sinais ténues.

Por esse motivo, alguns dos melhores detetores de neutrinos ficam no subsolo profundo: a própria crosta terrestre funciona como escudo contra radiação. Nesses laboratórios, grandes câmaras revestidas com fotodetetores são preenchidas com cintilador líquido, que amplifica os minúsculos sinais das raras interações, permitindo que “floresçam” na escuridão total.

A vantagem dos 2 km de rocha: separar neutrinos solares dos restantes

Os neutrinos forjados no núcleo do Sol atravessam continuamente a Terra. As suas energias ocupam uma faixa bem conhecida, o que ajuda a distingui-los de neutrinos atmosféricos e astrofísicos - em geral muito mais energéticos e bem mais raros.

No caso do SNO+, instalado a cerca de 2 km de profundidade no SNOLAB, quase todos os eventos nessa banda de energia são atribuídos a uma origem solar, o que reduz drasticamente ambiguidades na interpretação dos dados.

A reação: quando um neutrino converte carbono‑13 em nitrogénio‑13

O grupo, liderado pelo físico Gulliver Milton, da Universidade de Oxford (Reino Unido), analisou dados do SNO+ recolhidos entre 4 de maio de 2022 e 29 de junho de 2023. O objetivo era procurar um sinal muito específico: a marca deixada por uma interação entre um neutrino eletrónico solar e um núcleo de carbono‑13 no fluido cintilador.

Quando o neutrino atinge o núcleo de carbono‑13, ocorrem dois passos fundamentais:

1. Produção de um eletrão: ao ser absorvido pelo núcleo atómico, o neutrino desencadeia uma interação fraca que resulta na emissão de um eletrão (partícula de carga negativa).
2. Mudança no núcleo (interação fraca): o núcleo do carbono‑13 tem 13 nucleões - 6 protões (carga positiva) e 7 neutrões (sem carga). A interação fraca provocada pelo neutrino transforma um neutrão em protão, e o eletrão é emitido nesse processo.

Como o número de protões sobe de 6 para 7, o átomo deixa de ser carbono e passa a ser nitrogénio‑13, agora com 7 protões e 6 neutrões.

Cerca de 10 minutos depois, o nitrogénio‑13 - um isótopo radioativo instável com meia‑vida de 10 minutos - decai e emite um sinal característico: um antieletrão, também chamado de positrão.

A assinatura em dois tempos: a “coincidência atrasada”

O conjunto completo do fenómeno gera um padrão muito particular no detetor: um brilho inicial associado ao eletrão, seguido por um segundo sinal, cerca de 10 minutos depois, associado ao positrão. Essa sequência em duas etapas é conhecida como coincidência atrasada.

Na prática, os investigadores procuraram exatamente esse “par” temporal - primeiro um eletrão, depois um positrão com o atraso esperado - como assinatura de que um neutrino converteu carbono‑13 em nitrogénio‑13.

O que os dados mostraram: poucos eventos, um resultado robusto

A partir de 231 dias de dados de observação, a equipa identificou 60 eventos candidatos. Ao processar esses candidatos num modelo estatístico, a estimativa obtida foi de 5,6 transmutações carbono‑nitrogénio impulsionadas por neutrinos.

Esse valor ficou muito próximo do que era previsto encontrar: 4,7 eventos esperados.

Milton descreveu a observação como um feito excecional: apesar de o isótopo carbono‑13 ser raro, foi possível registar a sua interação com neutrinos que nasceram no núcleo do Sol e viajaram enormes distâncias até alcançar o detetor.

Porque isto importa para a física nuclear e para a ciência dos neutrinos

O resultado é particularmente empolgante por dois motivos. Primeiro, porque confirmar previsões teóricas é um teste essencial: quando a medição bate com o esperado, reforça-se a confiança de que o entendimento físico está no caminho certo.

Segundo, porque a experiência fornece uma nova medição da probabilidade (secção de choque) desta reação específica de baixa energia entre neutrinos e carbono. Isso cria uma referência importante para trabalhos futuros em física nuclear e em estudos de interações raras.

O físico Steven Biller, também da Universidade de Oxford, lembrou que neutrinos solares são estudados há muitos anos e que medições obtidas pelo experimento antecessor, o SNO, contribuíram para o Prémio Nobel de Física de 2015. Para ele, é notável que o conhecimento tenha evoluído a ponto de, agora, os neutrinos do Sol poderem ser usados pela primeira vez como um “feixe de teste” para investigar outros tipos de reações atómicas raras.

Um detalhe adicional: por que usar o carbono‑13 do próprio cintilador é tão valioso

Uma particularidade elegante desta medição é que o carbono‑13 utilizado não precisou de ser “adicionado” como um alvo especial: ele já existe naturalmente no material orgânico do cintilador líquido. Isso reduz complexidades experimentais e demonstra como detetores pensados para um objetivo (monitorizar neutrinos) podem, com análises cuidadosas, revelar processos nucleares ainda mais específicos.

Além disso, medições deste tipo ajudam a refinar modelos de fundo e de resposta do detetor, o que pode melhorar a sensibilidade a outros sinais raros no futuro - inclusive em janelas de energia em que separar eventos reais de ruído é especialmente desafiador.

Perspetivas: o que esta observação abre para as próximas campanhas

À medida que o SNO+ e outros observatórios subterrâneos acumularem mais tempo de operação, a estatística deve crescer, permitindo reduzir incertezas e testar com maior rigor como as interações fracas se manifestam em diferentes núcleos. Em paralelo, isso pode fortalecer o uso de neutrinos solares como ferramenta de calibração natural, sempre disponível, para validar modelos e métodos de seleção de eventos em detetores de grande volume.

A pesquisa foi publicada na revista Cartas de Revisão Física.