Experimento Homestake

O experimento Homestake foi a primeira tentativa de detectar neutrinos vindos do Sol. Raymond Davis o conduziu de 1968 a 1994 em uma mina de ouro em Dakota do Sul. Ele forneceu um resultado que durante trinta anos ninguém conseguiu explicar — e foi assim o início de uma das mais fecundas caças a erros da história da física.

A tarefa

Até a década de 1960 a fusão nuclear no interior do Sol era uma teoria bem fundamentada, mas ninguém jamais a havia observado diretamente. A luz que nos alcança provém da superfície; a energia levou dezenas de milhares de anos para chegar até lá. O que acontece neste exato momento no núcleo ela não revela.

Os neutrinos, sim. Eles deixam o núcleo sem obstáculo e estão aqui depois de pouco mais de oito minutos. Quem os conta está vendo o Sol queimar.

John Bahcall havia calculado quantos deles deveriam chegar. A tarefa de Davis era encontrá-los.

O dispositivo

O procedimento apoia-se em uma reação nuclear que Bruno Pontecorvo havia proposto: um neutrino eletrônico transforma um núcleo de cloro-37 em um núcleo de argônio-37 e um elétron. O limiar situa-se em 814 quiloelétrons-volt — alto o bastante para que sejam captados apenas os raros neutrinos energéticos vindos do decaimento do boro-8, ou seja, menos de um por cento de todos os neutrinos solares.

Como fonte de cloro serviu o percloroetileno, líquido de limpeza comum. 615 toneladas dele ficavam em um tanque de aço, 1 478 metros abaixo da superfície, no nível de 4850 pés da mina de Homestake, perto de Lead, em Dakota do Sul. A rocha acima detém os múons cósmicos, que de outro modo teriam encoberto qualquer sinal.

A verdadeira dificuldade

O cálculo de Bahcall indicava que nesse tanque surgiria cerca de um átomo de argônio a cada dois dias. Ao longo de uma campanha de medição de dois meses acumulavam-se, portanto, algumas dezenas de átomos — em 615 toneladas de líquido, ou seja, entre cerca de 10³⁰ outros átomos.

A maioria dos especialistas considerava isso inviável. Davis era químico, não físico, e para um químico não era uma tarefa impossível, mas difícil.

Seu procedimento: a cada poucas semanas soprava-se hélio pelo tanque. O gás nobre leva consigo o argônio, também nobre, enquanto o percloroetileno permanece. O argônio era congelado em uma armadilha fria, transferido para um minúsculo contador e ali detectado individualmente por meio de seu decaimento radioativo. O argônio-37 tem uma meia-vida de 35 dias — curta o bastante para contar quase tudo em poucos meses, longa o bastante para sobreviver à extração.

E não parou aí: Davis demonstrou que seu procedimento realmente encontra cada átomo. Ele colocou no tanque uma quantidade conhecida e minúscula de argônio e a retirou de volta. O rendimento ficou acima de 90 por cento — um controle positivo tão rigoroso quanto dificilmente poderia ser.

O resultado que ninguém queria

A partir de 1968 havia números. Davis encontrava cerca de um terço do que Bahcall havia calculado.

Isso não era um resultado por pouco, mas uma lacuna escancarada. E as explicações imediatas eram evidentes: ou Bahcall calculava errado, ou Davis media errado.

Ambos verificaram durante décadas. Bahcall refinou seu modelo solar cada vez mais e o fez confirmar de modo independente pela heliossismologia — das oscilações da superfície solar é possível deduzir a estrutura interna, inteiramente sem neutrinos. Davis repetiu suas calibrações e verificou se seu tanque porventura respondia a alguma outra coisa; entre outras coisas, ele colocou um tanque junto a um reator nuclear e ali não encontrou, como se esperava, nada, porque os reatores emitem antineutrinos e não neutrinos.

Nenhum dos dois encontrou erro. Pois não havia nenhum.

A resolução

O problema dos neutrinos solares permaneceu aberto até 2002. Então o Sudbury Neutrino Observatory mostrou que os neutrinos que faltavam não haviam desaparecido, mas apenas se transformado — em tipos aos quais o tanque de cloro de Davis, por princípio, não podia responder.

Somando-se os três tipos, o número de Bahcall confere.

A medição de Davis estava, portanto, correta desde o começo. Ela apenas havia medido algo diferente do que todos supunham — e exatamente nisso estava a descoberta.

Repercussão

Davis recebeu o Prêmio Nobel em 2002, junto com Masatoshi Koshiba. Ele tinha então 87 anos.

O próprio local teve uma continuação notável. Nas mesmas galerias surge hoje o detector distante do DUNE — quatro módulos com, ao todo, 68 000 toneladas de argônio líquido. Onde outrora havia um único tanque com líquido de limpeza será futuramente decidida a questão da violação de CP.

Termos relacionados

• Raymond Davis — o responsável
• John Bahcall — a previsão
• Problema dos neutrinos solares — o achado
• GALLEX e SAGE — os sucessores com limiar mais baixo
• DUNE — a mesma montanha hoje

Fontes

• R. Davis Jr., D. S. Harmer, K. C. Hoffman: Search for Neutrinos from the Sun, Physical Review Letters 20, 1205 (1968).
• B. T. Cleveland et al.: Measurement of the Solar Electron Neutrino Flux with the Homestake Chlorine Detector, The Astrophysical Journal 496, 505 (1998).