Sudbury Neutrino Observatory
O Sudbury Neutrino Observatory (SNO) foi um detector de neutrinos situado dois quilômetros abaixo da superfície, em uma mina de níquel perto de Sudbury, em Ontário. Ele encerrou em 2002 um debate que se arrastava desde 1968 e rendeu a Arthur B. McDonald o Prêmio Nobel de 2015.
A questão
Desde o experimento Homestake estava estabelecido que chega apenas cerca de um terço dos neutrinos solares esperados. O que não estava claro era a razão disso.
Duas explicações estavam em jogo. Ou o modelo solar estava errado — e então a astrofísica teria um problema. Ou os neutrinos se transformavam pelo caminho — e então quem teria um problema seria a física de partículas.
Entre as duas hipóteses nenhum detector podia distinguir, pois todos respondiam apenas a neutrinos eletrônicos. Um Sol mais fraco e neutrinos transformados produzem em um aparelho desse tipo a mesma imagem: eventos de menos.
A solução: água pesada
O SNO contornou isso com um artifício. O detector continha 1 000 toneladas de água pesada em um recipiente transparente de acrílico com doze metros de diâmetro, cercado por 9 600 fotomultiplicadores e por um invólucro de água comum.
A água pesada contém deutério, e o deutério pode reagir com neutrinos de três maneiras:
Corrente carregada. Apenas um neutrino eletrônico consegue cindir o dêuteron em dois prótons e um elétron. Essa reação conta, portanto, unicamente os neutrinos que conservaram seu tipo original.
Corrente neutra. Qualquer tipo de neutrino consegue decompor o dêuteron em um próton e um nêutron. Essa reação conta todos os neutrinos, seja qual for o tipo.
Espalhamento elástico em elétrons. Todos os tipos contribuem, mas os neutrinos eletrônicos de forma nitidamente mais intensa. Essa reação fornece adicionalmente a direção.
A comparação dos dois primeiros números responde à pergunta de imediato — e isso sem que seja preciso sequer recorrer ao modelo solar. Nisso reside a elegância do arranjo: ele mede uma razão, e razões são mais robustas do que valores absolutos.
Que 1 000 toneladas de água pesada estivessem de todo disponíveis deve-se a um caminho particular do Canadá. As usinas nucleares CANDU do país trabalham com ela; a agência estatal de energia atômica emprestou o estoque. Seu valor era de várias centenas de milhões de dólares.
As três fases de medição
A corrente neutra gera um nêutron livre — e nêutrons são difíceis de ver. O SNO atacou o problema três vezes com meios diferentes, o que tornou a detecção independente de um único procedimento:
| Fase | Período | Detecção dos nêutrons |
|---|---|---|
| água pesada pura | 1999–2001 | captura no deutério |
| fase salina | 2001–2003 | duas toneladas de sal de cozinha adicionadas, captura no cloro |
| fase dos contadores | 2004–2006 | contadores proporcionais com hélio-3 |
As três fases chegaram ao mesmo resultado. Essa é uma forma de controle que um experimento só raramente pode se permitir.
O resultado
Pela corrente carregada chegou cerca de um terço da taxa esperada — exatamente o déficit que Davis havia encontrado trinta anos antes. Pela corrente neutra chegou a taxa completa.
Com isso ficaram provadas as duas coisas ao mesmo tempo: o Sol emite exatamente tantos neutrinos quantos John Bahcall havia calculado. E dois terços deles se transformam pelo caminho em outros tipos.
A publicação decisiva apareceu em junho de 2002. Bahcall, que havia mantido sua conta por três décadas, comparou mais tarde a sensação a ter afirmado durante trinta anos que a Terra é redonda — e então alguém retorna de uma circum-navegação do globo.
Por que precisava estar tão fundo
A mina Creighton oferece 2 092 metros de rocha acima do detector, o que corresponde a cerca de 6 000 metros de água. Só assim foi possível reduzir o fundo de múons cósmicos a poucos eventos por dia.
A isso somou-se uma exigência de pureza que beirava a obsessão: cada grama de poeira no recipiente de acrílico teria gerado nêutrons por sua radioatividade natural e assim falseado o sinal da corrente neutra. O recipiente foi montado no subsolo em condições de sala limpa.
Repercussão
O SNO foi desligado em 2006. A instalação tornou-se o SNOLAB, um dos laboratórios subterrâneos mais profundos do mundo. Ali funciona hoje o SNO+, que procura o duplo decaimento beta sem neutrinos, e, ao lado dele, vários experimentos sobre matéria escura.
Termos relacionados
- Arthur B. McDonald — o diretor
- Problema dos neutrinos solares — a questão resolvida
- Experimento Homestake — o achado inicial
- Efeito MSW — a explicação da transformação
Fontes
- Colaboração SNO (Q. R. Ahmad et al.): Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review Letters 89, 011301 (2002).
- Colaboração SNO: Combined Analysis of all Three Phases of Solar Neutrino Data from the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review C 88, 025501 (2013).