Neutrinos atmosféricos
Neutrinos atmosféricos surgem quando a radiação cósmica atinge o envoltório de ar da Terra. Eles são a fonte com a qual a oscilação de neutrinos foi detectada pela primeira vez em 1998 — e fornecem até hoje um dos arranjos de medição mais elegantes da física.
Como eles surgem
Do espaço atingem continuamente a Terra prótons e núcleos atômicos de alta energia. A cerca de 15 a 20 quilômetros de altura eles colidem com núcleos de nitrogênio e de oxigênio e geram um chuveiro de partículas secundárias, predominantemente píons e káons.
Um píon carregado decai em um múon e um neutrino do múon. O múon decai por sua vez em um elétron, um neutrino do elétron e mais um neutrino do múon.
Somando tudo, espera-se o dobro de neutrinos do múon em relação aos neutrinos do elétron.
Por que essa razão é tão valiosa
O fluxo absoluto da radiação cósmica só é conhecido com precisão de cerca de vinte por cento. Para uma medição em que se trata de poucos por cento, isso seria inútil.
A razão de 2 para 1, em contrapartida, decorre unicamente da cadeia de decaimentos. Ela quase não depende de quão intensa está a radiação cósmica no momento nem de como é sua composição. Não é preciso, portanto, conhecer a fonte com exatidão para ter uma previsão nítida.
Precisamente isso torna os neutrinos atmosféricos utilizáveis para medições de precisão, embora ninguém os controle.
A Terra como escala
A segunda particularidade é geométrica. Um detector nas profundezas da Terra recebe neutrinos de todas as direções — mas eles têm percursos muito diferentes atrás de si.
Neutrinos vindos de cima surgiram 15 quilômetros acima do detector. Neutrinos vindos de baixo surgiram do outro lado do planeta e percorreram cerca de 13 000 quilômetros.
Um único e mesmo detector mede assim ao mesmo tempo um percurso muito curto e um muito longo — uma razão de quase mil para um, e isso sem acelerador, sem segundo local, sem custos.
Como a oscilação depende do comprimento do percurso, o efeito se manifesta como dependência do ângulo de incidência.
A descoberta de 1998
O Super-Kamiokande usou precisamente isso. O detector encontrou vindo de cima o número esperado de neutrinos do múon — vindo de baixo, apenas cerca da metade. Os neutrinos do elétron não mostraram tal déficit.
Essa dependência angular foi a prova propriamente dita. Um erro do detector teria atuado igualmente em cima e embaixo; uma transformação que depende do comprimento do percurso atua exatamente assim.
Takaaki Kajita apresentou o resultado em junho de 1998. Foi a primeira detecção consistente de que os neutrinos oscilam e, portanto, possuem massa. Em 2015 veio o Prêmio Nobel.
A beleza dessa medição está em quão pouco ela precisou: um detector, o céu e o globo terrestre como escala.
Uso atual
Os neutrinos atmosféricos continuam a ser medidos. O IceCube e a parte ORCA do KM3NeT os utilizam para determinar a ordem das massas dos neutrinos — pois na travessia da Terra o efeito MSW atua de modo diferente conforme qual massa é a maior.
A faixa de energia vai de poucas centenas de megaelétron-volts até a faixa de petaelétron-volts. Nas energias mais altas contribuem adicionalmente decaimentos de partículas com quarks charm — uma contribuição que ainda não está medida com segurança.
O gêmeo indesejado
Ao mesmo tempo os neutrinos atmosféricos são um fundo em toda parte onde se procura outra coisa.
Para experimentos sobre o decaimento do próton e sobre a matéria escura eles constituem o limite do factível. Não é possível blindá-los — nenhuma rocha do mundo os detém. A partir de certo tamanho de detector eles inevitavelmente encobrem o sinal procurado.
Essa barreira chama-se na linguagem técnica pegada de neutrinos e marca onde termina a sensibilidade de toda uma classe de aparelhos.
Termos relacionados
- Super-Kamiokande — a descoberta
- Múons cósmicos — a mesma procedência
- Oscilação de neutrinos
- Takaaki Kajita
Fontes
- Colaboração Super-Kamiokande: Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).