O núcleo do Sol é um lugar violento. A imensa pressão e densidade forçam os núcleos a se unirem, superando a repulsão eletrostática natural que mantém os prótons separados. É um jogo de alto risco de física nuclear. Neste ambiente, a energia é gerada através de uma cadeia específica de eventos.
Mas houve um problema. Um quebra-cabeça de décadas na astrofísica conhecido como problema dos neutrinos solares. Os detectores na Terra detectaram muito menos neutrinos vindos do Sol do que a teoria previa. As partículas perdidas não foram apenas um erro de medição. Eles apontaram para um mistério mais profundo em como a matéria funciona.
O processo de decaimento beta inverso
Para entender o déficit, é preciso olhar para a fonte. O Sol funciona em fusão. Especificamente, depende da cadeia próton-próton. Na maioria das vezes, os prótons ricocheteiam uns nos outros. Ocasionalmente, um próton chega perto o suficiente de outro para interagir. Isso não acontece a cada segundo. É uma colisão rara para qualquer próton único.
Quando eles se conectam, ocorre um decaimento beta inverso. Um próton se transforma em um nêutron. Ele se combina com o segundo próton para formar um deutério. Este processo libera energia. Ele também libera duas outras partículas.
- Um elétron (e −).
- Um neutrino (ν).
O neutrino é uma partícula subatômica. Quase não tem massa. Ele interage com a matéria de forma extremamente fraca. Ele passa pelos planetas como a luz através do vidro. No entanto, bilhões deles passam pelo seu corpo a cada segundo.
A contagem que falta
A teoria afirmava que para cada evento de fusão, um neutrino é produzido. Se o núcleo do Sol estiver fundindo hidrogénio, como sugerem os modelos, a Terra deveria ser bombardeada com um fluxo específico e constante destas partículas. Físicos experimentais construíram detectores para detectá-los. Eles esperaram. Eles contaram.
Os números não correspondiam.
O fluxo observado foi significativamente menor que o fluxo previsto. A lacuna era grande. Não foi uma pequena margem de erro. Foi uma discrepância fundamental. Durante muito tempo, os cientistas se perguntaram se os modelos solares estavam errados. O Sol queimou de forma diferente do calculado? O núcleo estava mais frio? As taxas de fusão foram imprecisas?
Os dados sugeriram o contrário. O Sol parecia estar funcionando exatamente como dizia a teoria. A produção de energia correspondeu às previsões. A temperatura central manteve-se estável. A única variável que não se encaixava era a própria contagem de neutrinos.
O Sol estava brilhando intensamente. A matemática funcionou. Os neutrinos simplesmente não estavam chegando nos números esperados.
Este não foi apenas um pequeno ajuste. Foi necessário repensar a natureza do neutrino. Se as partículas estavam desaparecendo, elas estavam desaparecendo? Ou eles estavam mudando de identidade antes de chegarem à Terra? A resposta exigiria uma mudança no Modelo Padrão da física de partículas. Os neutrinos desaparecidos não foram perdidos. Eles estavam escondidos à vista de todos, transformados em tipos que nossos primeiros detectores não conseguiam ver.
A Mecânica da Fusão Estelar
A maioria dos átomos de hidrogênio nunca se fundirá. Eles vagam pelo espaço, muito frios, muito distantes um do outro. Mas o hidrogénio é tão abundante que ocorrem eventos raros. Esta escassez é exatamente a razão pela qual a fusão domina o orçamento energético do Sol. A reação em cadeia é lenta no início. Um deutério encontra um próton para criar hélio-3. Essas partículas colidem novamente para formar o hélio-4. Quatro átomos de hidrogênio desaparecem. Resta um átomo de hélio. O excesso de energia escapa na forma de raios gama e neutrinos.
A temperatura é imensamente importante aqui. Os núcleos devem romper uma barreira eletrostática para serem tocados. Se lhes faltar calor, eles ricocheteiam. A taxa de reação aumenta com a quarta potência da temperatura. Um pequeno aumento no calor significa um grande salto na produção de energia.
Rastreando as partículas invisíveis
A equação (1) acompanha essa conversão. Para cada dois átomos de hidrogênio processados, emerge um neutrino. Ele carrega uma energia média de 0,26 MeV. Isso representa apenas 1,3% da liberação total. No entanto, o fluxo é impressionante. Oito vezes dez elevado à décima potência, neutrinos atingem cada centímetro quadrado da Terra a cada segundo. Eles passam por nós sem deixar rastros.
Detectá-los exigiu escavação. Raymond Davis construiu seu experimento nas profundezas da mina de ouro Homestake em Lead, Dakota do Sul. Ele foi para o subsolo para proteger seus detectores do ruído cósmico. O Prémio Nobel veio em 2002. Mas os primeiros resultados estavam errados. Ou assim parecia.
Os neutrinos da primeira etapa da cadeia possuem baixa energia. Abaixo de 0,42 MeV. O equipamento de Davis não conseguiu vê-los. Ele confiou em neutrinos de alta energia de etapas posteriores. A contagem foi muito menor do que a teoria previa. O Sol estava escuro? Ou a física estava quebrada?
Resolvendo o problema do neutrino solar
Duas explicações flutuaram. Um: as taxas subatômicas são mal calculadas. O Sol queima de maneira diferente do que pensávamos. É uma possibilidade mundana. Ele mantém o modelo padrão intacto. Provavelmente também está errado.
A outra opção era mais estranha. E se os neutrinos mudarem? À medida que viajam através da massa densa do Sol, será que se transformam num tipo que os nossos detectores não conseguem captar? Essa oscilação implicaria que os neutrinos têm massa. Uma massa minúscula, mas mesmo assim uma massa. Isso contradiz a crença predominante de que eles não tinham massa.
A resposta chegou a 2.100 metros de profundidade. O Observatório de Neutrinos de Sudbury fica em uma mina de níquel de Creighton, perto de Sudbury, Ontário. Os dados eram claros. Os neutrinos desaparecidos não haviam desaparecido. Eles mudaram de sabor. O problema do neutrino solar foi resolvido. Os neutrinos oscilam. Eles têm peso. O Sol é mais brilhante do que os primeiros detectores podiam ver, mas o universo é mais estranho do que esperávamos.
