OPERA
O OPERA foi um experimento de neutrinos no laboratório subterrâneo do Gran Sasso que de 2008 a 2012 recebeu um feixe vindo do CERN — 730 quilômetros atravessando os Alpes e os Apeninos. Sua tarefa: ver diretamente a transição de neutrinos muônicos para neutrinos tauônicos.
Surgimento em vez de desaparecimento
A maioria dos experimentos de oscilação mede que neutrinos estão faltando. O Super-Kamiokande havia mostrado em 1998 que neutrinos muônicos desaparecem no caminho através da Terra. Para onde eles vão o detector não via.
O OPERA queria mostrar exatamente isso. Para tanto precisava detectar neutrinos tauônicos — e estes só se revelam por gerarem um lépton tau.
Esse lépton vive cerca de 0,3 trilionésimos de segundo e percorre nesse tempo menos de um milímetro antes de decair. É preciso, portanto, reconhecer um rastro muito curto e nele um cotovelo — o ponto em que o tau decai e suas partículas-filhas seguem voando em outra direção.
Nenhum detector eletrônico resolve isso. As câmaras de fios mais finas chegam a alguns décimos de milímetro.
Tijolos de chumbo e filme
A solução do OPERA foi um retorno a uma técnica antiga. O detector era composto de cerca de 150 000 tijolos. Cada um era uma pilha de 56 placas de chumbo com camadas de emulsão fotográfica intercaladas, pesava bons oito quilogramas e tinha aproximadamente o tamanho de uma caixa de sapatos. Juntos eles somavam 1 250 toneladas.
O chumbo fornece a massa, para que uma interação de fato ocorra. A emulsão registra os rastros com uma resolução inferior a um micrômetro — mil vezes mais fina que a de qualquer detector eletrônico.
O procedimento por trás disso
A emulsão tem uma desvantagem decisiva: ela armazena tudo e não pode ser lida como um chip. Um filme que permanece anos dentro do detector acumula milhões de rastros inutilizáveis.
A solução foi uma divisão de trabalho. Entre as paredes de tijolos pendiam detectores eletrônicos, que indicavam grosseiramente onde e quando algo havia acontecido. Um robô retirava então da parede o tijolo em questão, os filmes eram revelados e examinados automaticamente ao microscópio.
Com isso a emulsão deixou de ser um armazenamento passivo e passou a ser parte de um processo de busca. O procedimento permitia extrair, de 150 000 tijolos, exatamente aquele que continha algo.
O resultado
O primeiro candidato a tau foi encontrado em 2010. Até 2015 eram dez.
Dez eventos em anos de operação soa como pouco e é um triunfo. O fundo esperado era inferior a um evento; a significância estatística alcançou 6,1 desvios padrão — bem acima do limiar de cinco, a partir do qual a física de partículas fala de uma descoberta.
Com isso a transição νμ → ντ estava diretamente comprovada. Junto com o DONUT, que primeiro detectou o neutrino tauônico, e com as medições de desaparecimento, o quadro da oscilação de neutrinos ficou completo.
A questão da velocidade da luz
Em 2011 o OPERA relatou que seus neutrinos haviam chegado cerca de 60 nanossegundos antes do que a luz teria chegado. A notícia deu a volta ao mundo.
Notável é como a colaboração lidou com isso. Ela publicou o achado expressamente como não esclarecido, pediu à comunidade especializada que o examinasse e não afirmou ter refutado Einstein. O porta-voz disse, em substância, que se havia procurado um erro durante meses e nenhum fora encontrado — e que por isso se expunha o assunto abertamente.
O exame encontrou a causa: um conector de fibra óptica não completamente encaixado no sistema de medição do tempo e, além disso, um oscilador que marchava com imprecisão. Após a correção, os neutrinos moviam-se com a velocidade da luz. Em 2012 três outros experimentos do Gran Sasso confirmaram isso de forma independente, e o próprio OPERA apresentou uma medição corrigida.
O episódio é hoje considerado uma lição — não por causa do erro, que qualquer um pode cometer, mas por causa do tratamento aberto que lhe foi dado.
Termos relacionados
- DONUT — a primeira detecção do neutrino tauônico
- Oscilação de neutrinos
- Martin Perl — descobridor do lépton tau
- MINOS — a contraparte americana
Fontes
- Colaboração OPERA: Discovery of τ Neutrino Appearance in the CNGS Neutrino Beam with the OPERA Experiment, Physical Review Letters 115, 121802 (2015).
- Colaboração OPERA: Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, JHEP 2012, 093 — versão corrigida.