O Neutrino Mais Energético Já Visto Faz um Salpico no Mediterrâneo

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Uma “partícula fantasma” descoberta por um detector no Mediterrâneo transportava 30 vezes mais energia do que qualquer neutrino observado até hoje.

O neutrino cósmico de maior energia detectado até o momento foi observado pelo KM3NeT, que fica no fundo do Mar Mediterrâneo, perto da Sicília, na Itália, e da Provença, na França.

 DKosig/Getty Images (Elementos desta ilustração fornecidos pela NASA)

Para os peixes nadando profundamente em um pedaço específico do Mar Mediterrâneo na costa da Sicília nas primeiras horas de 13 de fevereiro de 2023, era uma noite como qualquer outra — pelo menos até que um brilho azul repentino, invisível aos olhos humanos, disparou através da água escura. O evento sinalizou algo extraordinário: a detecção da partícula mais energética desse tipo já medida até hoje .

O flash era o cartão de visita de um neutrino cósmico , uma minúscula e tipicamente amena “ partícula fantasma ”, assim chamada por causa de sua improbabilidade astronômica de interagir com a matéria comum que compõe nosso mundo. Um neutrino pode passar por um ano-luz de chumbo ileso. E a cada segundo, cerca de 100 trilhões dessas partículas (a maioria das quais foi emitida pelo nosso sol) passam pelo seu corpo. Isso as torna difíceis de capturar — mas também mensageiros potentes de processos astrofísicos de outra forma ocluídos em ação nos corações opacos das estrelas e nos núcleos escurecidos pela poeira das galáxias.

A descoberta e caracterização deste vem de uma colaboração predominantemente europeia chamada KM3NeT, um telescópio de neutrinos que ainda está em construção e que, uma vez totalmente construído, usará cerca de um quilômetro cúbico de água do mar Mediterrâneo com instrumentos como base para seus dois detectores distintos. No entanto, mesmo em seu estado incompleto, o projeto entregou um resultado impressionante — um neutrino que provavelmente vem de além da galáxia e que contém um poder sem precedentes.

“Está em uma região de energia completamente inexplorada, 30 vezes maior do que qualquer observação anterior de neutrinos”, disse Paschal Coyle, físico de neutrinos do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica e membro da equipe KM3NeT, durante uma coletiva de imprensa sobre a pesquisa realizada na terça-feira.

Três Módulos Ópticos Digitais KM3NeT (DOM). Cada módulo consiste em duas meias esferas de vidro preenchidas com todos os componentes eletrônicos necessários, energia e 31 tubos fotomultiplicadores (PMTs) sensíveis à luz.

Durk, Gardenier/Alamy Banco de Imagem

Dos dois detectores do KM3NeT, um é dedicado a neutrinos atmosféricos mais mundanos. O outro, chamado ARCA, está localizado sob quase 3,5 quilômetros de água na costa da Sicília e foi projetado para detectar neutrinos astrofísicos observando os detritos de suas raras interações com moléculas de água.

“Essas coisas têm tanta energia — elas batem tão forte — que você obtém esse spray realmente enorme de partículas”, diz Kate Scholberg, uma física da Duke University, que estuda neutrinos, mas não estava envolvida na nova pesquisa. “Ele não interage muito, mas quando interage, faz um respingo gigantesco e espetacular de todos os tipos de partículas se espalhando por toda parte. E é a luz dessas partículas que você vê”.

Quando o neutrino recém-descoberto atingiu, a ARCA estava observando com apenas 21 de suas 230 linhas de detecção planejadas. O neutrino colidiu com uma molécula de água fora do detector, criando uma explosão de partículas, incluindo um múon de alta energia — um tipo de partícula subatômica que é semelhante a um elétron, mas 200 vezes mais pesada. Esse múon então criou seus próprios detritos fragmentários, desencadeando uma ondulação de fótons azuis claros reveladores, apelidados de radiação Cherenkov, que passaram pelos instrumentos da ARCA. Ao analisar essa luz, os físicos foram capazes de reconstruir o caminho submarino do múon, estimar a energia do neutrino original e apontar suas origens para uma região específica do espaço.

Os pesquisadores estimam que a energia do neutrino era da ordem de 220 peta elétron-volts, mais de 30 vezes maior do que o neutrino mais energético detectado antes das novas observações. Para ajudar as pessoas a conceitualizá-lo durante a coletiva de imprensa, Aart Heijboer, físico do Instituto Nacional Nikhef de Física Subatômica na Holanda e coautor da nova pesquisa, ofereceu a imagem de uma bola de pingue-pongue caindo cerca de um metro na gravidade da Terra. O neutrino recém-detectado continha quase essa quantidade de energia compactada em uma única partícula subatômica, disse ele. Ou pode-se compará-lo com os mais ferozes aceleradores de partículas que os cientistas construíram: "Isso é cerca de 1.000 vezes mais energético do que qualquer coisa que poderíamos produzir na Terra", diz Bryan Ramson, físico de neutrinos do Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi em Illinois, que não estava envolvido na nova pesquisa.

A detecção é tentadora, mas também levanta mais perguntas do que respostas. O KM3NeT está se juntando a um telescópio de neutrinos de longa duração chamado IceCube, que vem coletando dados perto do Polo Sul desde 2011. O IceCube foi projetado para capturar esse tipo de neutrino de alta energia tão efetivamente quanto o KM3NeT, mas sua observação recordista atual carregava apenas um trigésimo da energia da nova descoberta do KM3NeT, o que levantou sobrancelhas entre alguns especialistas.

“Minha primeira impressão é que isso é muito inesperado. E como isso pode ser possível sem que o IceCube tenha visto algo [semelhante] antes?”, diz Ignacio Taboada, físico do Georgia Institute of Technology e atual porta-voz da colaboração IceCube.

Além disso, os cientistas do KM3NeT não conseguiram fixar seu neutrino de alta energia em uma fonte específica. Os pesquisadores escanearam o pequeno pedaço do céu de onde o neutrino provavelmente veio, mas não viram nenhuma arma fumegante, como um tipo de núcleo galáctico ativo chamado blazar — um suspeito imediato para travessuras celestiais que os cientistas esperam que possam criar uma partícula tão poderosa. Isso pode significar que o neutrino pode ter vindo de um raio cósmico superveloz que ricocheteou em um fóton de luz de fundo extragaláctica ou do fundo cósmico de micro-ondas , argumentam os pesquisadores.

Tais possibilidades esotéricas tornam o estudo de neutrinos astrofísicos irritantemente complicado, mas também são uma parte importante do motivo pelo qual os cientistas são atraídos para estudá-los em primeiro lugar. A maioria das observações astronômicas permanece amarrada a fótons — ainda que fótons possam ser facilmente bloqueados. Em contraste, a natureza fantasmagórica dos neutrinos significa que eles viajam sem impedimentos em uma linha reta por grandes distâncias, oferecendo uma lente diferente no universo que até mesmo olha para trás, para seus primeiros dias . Com a luz, "há um limite para o quão longe você pode olhar", diz Ramson — ou seja, a névoa fotônica do fundo cósmico de micro-ondas, emitida cerca de 380.000 anos após o big bang. "Os neutrinos são uma maneira de você meio que furar esse véu e olhar mais para trás do que nunca."

Se os cientistas estão prestes a perfurar esse véu depende se o KM3NeT continua a fazer observações impressionantes como a detecção de 2023 e se o IceCube pode igualá-lo depois de passar tanto tempo sem avistamentos de partículas de alta energia. No momento, a aparente discórdia nos avistamentos dos detectores é confusa, para dizer o mínimo. "Eles podem ter tido sorte; é difícil dizer", diz Scholberg. "É muito intrigante e significa claramente que precisamos de mais dados".

Taboada concorda que a detecção em questão é tentadora, mas que os cientistas de neutrinos precisam de mais observações para saber como interpretar a captura do KM3NeT. “Se fosse para provar um neutrino astrofísico, isso seria monumental”, diz Taboada. Mas ele quer ver mais. “Este evento é estranho; acho que é uma boa lição”, diz ele. “É inesperado, mais ou menos de qualquer maneira que você olhe para ele”.

Meghan Bartels é uma jornalista científica que mora na cidade de Nova York. Ela se juntou à Scientific American em 2023 e agora é uma repórter sênior de notícias lá. Anteriormente, ela passou mais de quatro anos como escritora e editora na Space.com, bem como quase um ano como repórter científica na Newsweek, onde se concentrou em ciências espaciais e da Terra. Seus escritos também apareceram na Audubon, Nautilus, Astronomy e Smithsonian, entre outras publicações. Ela frequentou a Georgetown University e obteve um mestrado em jornalismo no Science, Health and Environmental Reporting Program da New York University.

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Fonte: Scientific American /   Por Meghan Bartels, editado por Lee Billings  /  Publicação 12/02/2025

https://www.scientificamerican.com/article/the-most-energetic-neutrino-ever-seen-makes-a-mediterranean-splash/

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Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos de Economia, Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia Climatologia). 

Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

>Autor de cinco livros, que estão sendo vendidos nas livrarias Amazon, Book Mundo e outras.

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