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Neutrinos: Trazendo o Caos e a Anarquia?

novembro 22, 2011
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Olá ávidos buscadores de conhecimento! D-Dimensões falando.

Nos últimos dias vocês podem ter notado um certo rebuliço na mídia[1] a respeito desses neutrinos malandros, dizendo que eles são mais rápidos que a luz. Mas afinal, o que realmente está acontecendo? Essas partículas misteriosas são ou não mais rápidas do que a luz? Einstein estava ou não errado? Podemos tacar fogo em todos os livros de física das nossas estantes?

O que são os Neutrinos?

Se você assistiu 2012[2], você deve se lembrar da cena onde um dos personagens mostra pro outro que o número de neutrinos solares aumentou consideravelmente, a ponto de fazer ferver a água do detector. Que o Sol emite neutrinos está correto. Que eles podem ferver a água (sem percebermos grandes mudanças no Sol), não.

Neutrinos são partículas envolvidas num tipo de reação que chamamos de “nuclear fraca” (ao contrário da “nuclear forte”, responsável por manter os núcleos atômicos estáveis). É muito difícil detectar um neutrino. Como talvez não faça muito sentido falar em “tamanho” de uma partícula elementar, dizemos simplesmente que neutrinos possuem uma seção de choque muito pequena (quanto maior a seção de choque de alguma partícula, maior a chance dela “bater” em alguma coisa ao se mover). Por esses e outros motivos, experiências com neutrinos são extremamente complicadas, e ainda sabemos muito pouco sobre eles, embora sejam conhecidos desde a década de 30.

O que foi o primeiro experimento[3]?

Um acelerador de partículas no CERN* acelera um feixe de prótons a 99,9997 % da velocidade da luz, e o feixe atinge um alvo de grafite, que produz partículas que decaem em neutrinos. Um detector coleta as informações que puder dessas partículas mais fáceis de detectar (as que não são neutrinos, e possuem maior seção de choque). Os neutrinos passam direto. A 730 km dali (ou mais precisamente, (730534.61 ± 0.20) metros) o detector OPERA em Gran Sasso, na Itália, aguardava ansiosamente a chegada desses neutrinos.

Para facilitar, vou me referir aos dois detectores como detector CERN (o responsável por medir as partículas produzidas logo após a colisão) e o detector Gran Sasso (responsável por medir os neutrinos a 730 km do local em que eles foram produzidos).

Eu disse que os neutrinos eram muito difíceis de serem detectados, certo? “Quão difícil?”, vocês podem perguntar. Bom, ao longo de quase 3 anos de operação (de 2009 ao meio de 2011) o detector de Gran conseguiu medir 15223 neutrinos (ou, em jargão científico, 15223 eventos). Pode parecer muito, mas não quando comparados com os 1020 (1 seguido de 20 zeros!) prótons que colidiram com o alvo de grafite.

O que eles fizeram então foi simplesmente uma “continha de colégio”, a velocidade dos neutrinos calculada como a distância percorrida (esses ~730 km) dividido pelo tempo. E o resultado obtido foi algo um pouco maior que a velocidade da luz.

Pode parecer coisa simples, mas não é. As medidas precisam ser extremamente… precisas! Vou tentar explicar mais ou menos como foi, e porque isso gerou muito ceticismo. Como eu disse, quando os prótons colidem com o grafite, muitas partículas diferentes são produzidas, junto com neutrinos. As partículas que não são neutrinos então são coletadas por detectores, e podem ser identificadas com as colisões dos prótons (pra cada próton que colide, o detector mede partículas). Depois de uma análise complicada eles resumem todas as detecções numa “forma de onda”, assim:

Forma da Onda das partículas detectadas no CERN

(Não me perguntem os detalhes de como eles fazem isso. Sou extra ordinário demais para compreender.)

Em Gran Sasso, os neutrinos são detectados e comparados com essa curva. Na imagem abaixo, na parte de cima os dados com o tempo sincronizado, entre os dois detectores. Sabendo que os neutrinos demoram um certo tempo para percorrer o trajeto todo, deslocamos as detecções de neutrinos por um intervalo de tempo que esteja de acordo com a Forma de Onda descrita acima. O resultado dos dados deslocados se encontra na parte de baixo da figura:

Na parte de cima, a forma de onda medida no CERN e os eventos de neutrinos, medidos em Gran Sasso. Em baixo, com um atraso de tempo.

Sei que isso talvez seja complicado de entender, então imaginem a seguinte analogia extremamente simplificada e ordinária. Você quer medir a velocidade das balas de um revólver. Uma pessoa segurando a arma dá 3 tiros, um a cada segundo. Num alvo distante, alguém cronometra quando os tiros chegam. Digamos que chegue aos 10, 11 e 12 segundos. Comparando com os tiros que foram dados aos 0, 1 e 2 segundos, concluímos que cada bala demorou 10 segundos para percorrer o trajeto. No caso dos neutrinos, como eles não são tão fáceis de serem detectados quanto tiros num alvo, a analogia talvez seria melhor com uma metralhadora, e alguém com uma pontaria horrível, pois só alguns dos tiros chegam ao alvo.

Além disso, o experimento depende crucialmente da sincronização dos relógios entre os dois laboratórios, e da medida das distâncias. Como eu mostrei, a distância é medida com uma precisão de centímetros, e o tempo em nanosegundos, utilizando um complicado sistema de GPS + relógio atômico + computador + caralho a quatro (inclusive eles são capazes de detectar o afastamento entre os dois laboratórios, devido à deriva continental, de menos de 1 cm ao ano!).

O resultado: a velocidade, medida como a distância percorrida dividida pelo tempo transcorrido, foi maior do que a da luz no vácuo.

Já adianto um importante “porém”. Em 1987, uma Supernova explodiu, e foi observada por astrônomos do mundo todo. Também foi observado os neutrinos produzidos na explosão, e eles chegaram DEPOIS que a luz da explosão chegou. Ou seja, se os neutrinos fossem mesmo mais rápidos que a luz, eles teriam chegado antes de vermos a explosão, o que não aconteceu. Isso já foi um forte argumento para muitos cientistas simplesmente assumirem de antemão que havia algum erro com a equipe do OPERA.

Repetição do Experimento

Houve muito ceticismo quanto ao experimento do OPERA. Entre outros questionamentos, um dos mais fortes era que essa análise descrita acima (de ajustar a forma de onda aos eventos de neutrinos) era problemática. Na analogia da metralhadora, era difícil saber de qual rajada o neutrino veio.

O grupo então repetiu o experimento, dessa vez deixando intervalos maiores entre os feixes, e pulsos mais curtos. Seria como repetir o experimento da metralhadora, mas tentando dar rajadas mais curtas e com um intervalo de tempo maior entre as diferentes rajadas, de forma a tentar deixar os tiros mais parecidos com os do revólver.

E mais uma vez, a conclusão foi a mesma. Neutrinos mais rápidos que a luz.

Ciência em Ação

O que acontece na comunidade científica, quando algo assim ocorre? Até então achávamos que partículas mais rápidas que a luz não poderiam existir (ou, se existissem, não poderiam ser jamais detectadas, o que dá na mesma). Um resultado desses é chocante, e se estiver mesmo correto, pode revolucionar o nosso conhecimento de física.

Talvez vocês podem me perguntar se, como cientista, eu (e todos os outros) não deveríamos simplesmente aceitar as evidências. Sim e não. Porque não saímos tocando fogo nos nossos livros ainda? Porque o passado já nos mostrou que, por mais que experimentos sejam aparentemente bem feitos e planejados, algum erro sutil pode ter passado batido. O que fazer então? Simples, esperar que outros grupos confirmem ou invalidem o experimento (a repetição do experimento pelo mesmo grupo utilizando o mesmo equipamento é bom, mas não é suficiente para dizer muita coisa a respeito). Se dois laboratórios independentes obtiverem o mesmo resultado, significa que todos os físicos vão mudar de ideia instantaneamente?

Não, por principalmente dois motivos. Primeiro, pode ser que os dois experimentos tenham errado de maneira parecida. É improvável, mas possível. Segundo, ao contrário da imagem que muitos cientistas tentam passar, existe sim um apego emocional entre o físico e seu trabalho. Se a pessoa trabalhou a vida toda considerando impossível partículas mais rápidas que a luz, é muito difícil que ela simplesmente aceite que viveu enganada durante tanto tempo. Não é o comportamento ideal, ou “racional”, esperado, mas cientistas são antes de tudo humanos.

Estou dizendo que cientistas se apegam àquilo que aprenderam e não aceitam mudanças? NÃO! Estou dizendo que existem cientistas assim, da mesma forma que existe o outro extremo. Assim como existem pessoas conservadoras e liberais, capitalistas e socialistas, existem cientistas ávidos por qualquer coisa nova que quebre os paradigmas vigentes e outros que se apegam com força a esses paradigmas.

O que acontece é que, nesse turbilhão de ideias prós e contras, os experimentos funcionam como uma correnteza de um rio, e quanto mais experimentos, mais forte a correnteza (embora alguns possam funcionar como um vento contrário). As poucos, os que colocaram o barco na direção certa ganham velocidade e deixam os outros para trás, lutando para não se afogarem. (essa analogia é forte. Nas universidades é sempre possível encontrar aquele professor mais velho, teimoso, que pesquisa uma área abandonada há muito tempo. Ou, num outro extremo, aquele que estuda uma idéia tão nova e ousada, que pouca gente leva a sério. As vezes a natureza é cruel, e simplesmente não se importa com o tanto que você investiu numa determinada ideia. Simplesmente você pode se tornar um dinossauro ou um maluco, lutando pra manter sua cabeça fora d’água.)

De volta aos neutrinos. O próprio grupo que publicou esse resultado foi sensato o suficiente para não afirmar nada com certeza, antes de obter confirmação de algum outro experimento independente. Algo como alguém dizendo “olha, eu tenho quase certeza que vi um gnomo ali naquela árvore, mas como isso é algo bem bizarro, eu espero que outras pessoas também dêem uma olhada na árvore. Se ninguém ver nada, talvez eu só esteja maluco”. Se nenhum outro experimento medir essa velocidade alta para os neutrinos, eles vão se ver tentados a aceitar algum erro ainda não identificado (e, se possível, encontrar o erro).

Dois dias depois desse segundo resultado, um outro grupo, utilizando um detector diferente, mas com os neutrinos vindos do mesmo lugar, publicou[4] um outro estudo, e a conclusão: talvez os neutrinos não sejam mais rápidos que a luz.

O que eles tentaram fazer foi medir a Radiação Cherenkov dos neutrinos. A velocidade da luz não é a mesma no vácuo ou na matéria. Como a luz interage com os átomos que compõem um material, isso causa um efeito de “freio” da luz. Existem alguns materiais que possuem uma estrutura tal que a luz pode chegar a viajar a uma velocidade de míseros 60 quilômetros por hora[5] (Isso não apresenta problemas à relatividade, que se refere à luz no vácuo). Em determinados materiais outras particulas podem se mover mais rápido que a luz. O que acontece é a formação de uma luz brilhante[6], conhecida como radiação Cherenkov (o efeito é análogo à onda de choque que aviões supersônicos produzem).

A radiação Cherenkov é também esperada no vácuo, caso existam partículas mais rápidas que a luz. E foi essa a ideia do outro experimento. Se o neutrino é realmente mais rápido que a luz, deve ser possível medir essa radiação por onde ele passa.

O resultado: Nenhuma radiação foi detectada.

As duas respostas rápidas para isso: Ou o experimento do OPERA está errado, ou simplesmente a radiação de Cherenkov não funciona como esperado para partículas mais rápidas do que a luz.

O que está acontecendo agora?

Tem muita gente frenética. Não por existir a prova de uma revolução na física, mas simplesmente por existir dados novos, com os quais trabalhar. Cientistas especializados em detectores estão investigando o que pode estar errado no OPERA. Alguns físicos teóricos estão já tentando explicar porque os neutrinos tem velocidade superior a da luz, outros porque a radiação Cherenkov não ocorre com neutrinos. Alguns estão fazendo tudo isso mantendo o que conhecemos de relatividade especial (“Einstein continua certo”), outros modificando levemente o que conhecemos de relatividade (“Einstein estava certo, exceto em um caso particular”) e outros chutando o pau da barraca (“Einstein parecia estar certo, mas era tudo uma ilusão! Fuck the System!”).

Então cada um está preparando o seu barco. Alguns estão pegando remos, outros içando velas. E aguardando pra ver pra que lado a correnteza e o vento vão levar.

E a Temível Mídia?

Não poderia deixar de falar da grande espalhadora do caos, a disseminadora da discórdia. Por desconhecimento e por procurarem notícias bombásticas, você com certeza vai ver sites de notícias falando de tudo, como

  • “Cientistas provam que neutrinos são mais rápidos que a luz!”
  • “Cientistas provam que neutrinos não são mais rápidos que a luz!”
  • “Cientista consegue encontrar erro no experimento”
  • “Cientista consegue explicar porque neutrino é mais rápido que a luz”
  • “Cientistas provam que neutrinos são mais rápidos que a luz, estão fritando o centro da Terra, e vão trazer a destruição ao planeta em Dezembro de 2012”

Todas essas manchetes, se você não viu ainda, talvez veja em breve. E para o leitor desavisado, pode soar como pegadinha do Malandro: “Mas que diabos? Eles não acabaram de falar uma coisa, agora falam outra?”

Então lembre-se: ideias estão pulando que nem pipoca nas universidades e centros de pesquisa. Mas ainda não estamos ao ponto de dizer qual ideia está “mais correta” que a outra. Por enquanto, o que podemos dizer é “esses neutrinos são do caralho!”, mas não muito mais que isso. Se algum jornal diz algo a respeito dos neutrinos, ótimo, procure saber as novas ideias ou experimentos acontecendo. Mas não tome ainda nada como uma revolução de paradigmas, ou a prova de que viagens no tempo para o passado são possíveis.


*Embora seja no CERN, não é o LHC!

Sua descoberta inicial foi de certa forma uma “não descoberta”. Já se sabia, antes de 1930, que um nêutron pode decair em um elétron e um próton. No entanto, a direção e velocidade das partículas filhas não correspondiam ao esperado para haver conservação de energia e de momento linear. Imagine uma bola de sinuca colidindo com outra. Você sabe que se uma bola for para a esquerda após atingida, a outra vai para a direita. O que estava acontecendo com o nêutron era como as duas bolas de sinuca indo simultaneamente para a esquerda. Ao invés de abandonar as leis da física, você teoriza que existe uma terceira bola, invisível, indo para a direita, para balancear. Foi exatamente assim que Pauli propôs a existência do neutrino. Décadas mais tarde ele foi pela primeira vez detectado diretamente.

Outros textos interessantes, de outros blogs:

O Fantasma da Ópera

Neutrinos: Tudo o que você precisa saber

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One Comment leave one →
  1. physicsact permalink
    novembro 23, 2011 12:07 am

    Ótimo artigo! Parabéns!!!

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