Prêmio Nobel de Física de 2015: Kajita (Kamiokande) e McDonald (SNO) pela oscilação de neutrinos

A física de partículas novamente recebeu um Prêmio Nobel de Física. O Takaaki Kajita japonês (Super-Kamiokande, Super-Kamioka Nucleon Decay Experiment) e o canadense Arthur B. McDonald (SNO Observatório de Neutrinos de Sudbury) foram premiados  pela  descoberta de oscilações de neutrinos o que mostrou que os neutrinos têm massa. É um prêmio que se esperou  em várias ocasiões nos últimos dez anos, muitos têm interpretado esta descoberta como o primeiro sinal  além do modelo padrão de partículas (que na sua versão original os neutrinos não têm massa). Nós não sabemos como incorporar a massa de neutrinos no modelo padrão. Nós não sabemos se eles são férmions de Dirac (no caso de haver quiralidade massa do neutrino direita que ainda não observado), são férmions de Majorana ou (caso em que os neutrinos e antineutrinos são partículas idênticas). Também não sabemos o mecanismo exato pelo qual os neutrinos adquirem massa, ou seja, relação entre os neutrinos com o campo de Higgs. Há muitas coisas que não sabemos dos neutrinos, e a nossa melhor porta de entrada para a física além do modelo padrão é esta descoberta. Sabemos com certeza absoluta que há estados com massa de neutrinos, e o sabemos  a partir de Kajita e McDonald.

 A existência do neutrino foi proposto pelo físico teórico austríaco Wolfgang Pauli (Prêmio Nobel de Física em 1945) para explicar o espectro de energia dos elétrons no decaimento radioativo beta. O físico italiano Enrico Fermi (Prêmio Nobel de Física em 1938) desenvolveu uma teoria (efetiva) de decaimento beta que dava conta destas partículas que foram chamados de neutrinos. Usando o fluxo de neutrinos em um reator nuclear, dois físicos de partículas americanos descobriram isso em 1956, Frederick Reines (Prêmio Nobel de Física em 1995) e Clyde Cowan (que deveria ter recebido o prêmio postumamente).
 
 
Existem três tipos ou famílias de neutrinos: eletrônicos, muônicos e tauónicos, associadas a cada um dos léptons carregados: o elétron, o múon e o tau . Estes três tipos de neutrinos são comumente chamados de sabores. Quando um neutrino é observado, sempre aparece como um dos três tipos. No entanto, física quântica permite que durante a propagação  neutrino sua identidade se comporte quanticamente  misturando sabores; Neste caso, os estados mistos devem ter massa. Estes estados com massa bem definida são  chamados de  neutrino neutrino um, neutrino 2 e 3 e correspondem a três misturas quânticas diferentes dos três sabores de neutrinos.



Gostaria de enfatizar esse ponto, porque é uma confusão muito difundida. Neutrinos  muônicos, eletrônicos e tauónicos não tem uma massa bem definida. Você não pode falar sobre a massa dos neutrinos do elétron. Tal como acontece com a dualidade onda - partícula, estes neutrinos têm sabor bem definido, mas não tem massa bem definida (há um tipo de dualidade  massa - sabor). Os neutrinos com massa são os neutrinos misturados quanticamente que se propagam : os neutrinos 1, 2 e 3, que correspondem as três misturas de sabores. Os neutrinos que se propagam   têm massa bem definida, mas não têm sabor bem definido, por isso  sua identidade oscila.




O detector de neutrinos Super-Kamiokande começou a tomar dados em 1996. Ele está localizado na Kamioka numa mina de zinco, cerca de 250 quilômetros a noroeste de Tóquio. O Super-Kamiokande é um detector gigantesco localizado a um quilômetro sob uma montanha que consiste em um tanque de 40 metros de altura e 40 metros de diâmetro de água. Ele contém cerca de 50 mil toneladas de água ultrapura tão pura que um raio de luz  que passar por isso por cerca de 70 metros  perde metade de sua intensidade (em uma piscina a poucos metros são suficientes). Nas paredes do recipiente cilíndrico tem 11.000 fotomultiplicadores que detectam a   luz Cherenkov emitida por muões de alta energia que passa através do tanque de água a uma velocidade maior do que a velocidade da luz na água (velocidade de 75% luz no vácuo); múons são emitidos por núcleos atômicos que interagem com os neutrinos  muônicos.O Super-Kamiokande  observou 5000  sinais de neutrinos muônicos atmosféricos. Pelas estatísticas deveriam receber o mesmo número de neutrinos  (passando por uma montanha e abrangem cerca de 12 km) e abaixo (cruzando o diâmetro total da Terra e cobrem cerca de 12,000 km); a razão é simples, para os neutrinos a Terra é transparente. No entanto, para a surpresa de muitos,  foram observados mais neutrinos atmosféricos abaixo  do que acima. Por que?  a razão é que os neutrinos mudaram sua identidade enquanto atravessavam a Terra, isto é, o fenômeno de oscilação de neutrinos.

Por outro lado, a SNO (Sudbury Neutrino Observatory) é uma mina de níquel em Ontário e começou a operar em 1999. Seu objetivo é estudar os neutrinos de elétrons provenientes do sol. O observatório SNO é uma esfera de 18 metros de diâmetro, cheio com toneladas de água pesada (os núcleos dos átomos de hidrogênio são  núcleos de deutério , com um próton e um nêutron). Na superfície da esfera há 9500 fotomultiplicadores que detectam a radiação Cherenkov dos elétrons e nêutrons emitidos  quando um neutrino eletrônico atinge os núcleos de deutério (dêuterons).O interior do Sol pode produzir neutrinos elétronicos que viajam uma distância de 150 milhões de quilômetros da Terra. Cerca de 60 bilhões de neutrinos solares por segundo atravessam  cada centímetro da Terra (e seu corpo). Durante os seus dois primeiros anos de funcionamento no SNO observaram três neutrinos solares por dia, quando a modelos teóricos esperados prediziam  cerca de nove. O desaparecimento de dois terços dos neutrinos solares em sua jornada é porque os neutrinos  muônicos oscilaram a neutrinos e tauónicos por isso o  SNO não conseguia detecta-os.


Colaborações Super-Kamiokande e SNO descobriram que neutrinos oscilam e, portanto, têm massa. A probabilidade de detectar um neutrino com um tipo particular depende da sua massa (se se trata de um tipo de neutrino 1, 2 ou 3). Este fenômeno foi verificado em quase todos os detectores de neutrinos atuais é incontestável. Como resultado Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald receberam o mais cobiçado de todos os prêmios, o Prêmio Nobel de Física.

A física de neutrinos, sem dúvida, vai levar a muitos outros prêmios Nobel na Física. Existem muitas propriedades de neutrinos que se desconhecem e quando se revelarem cada uma delas os prêmios nobel serão concedidos .

Tradução livre do divulgador da ciência: o  espanhol  Francisco R. Villaroto