Um instante após o big bang, uma vasta chuva de partículas foi lançada no cosmos. Desde então, eles têm inundado o espaço, carregando consigo segredos desde o início dos tempos. Gostaríamos muito de capturar um – mas esses mensageiros são tão esquivos quanto parecem. Eles passam pela matéria: 100 trilhões deles passam pelo seu corpo a cada segundo e você nem percebe.
Essas coisas fantasmagóricas são neutrinos, partículas elementares que sabemos que existem, mas que são extremamente difíceis de detectar. Existem experiências em todo o mundo que conseguem capturar neutrinos libertados pelo Sol, em vastas armadilhas enterradas a mais de um quilómetro de profundidade, por exemplo. No entanto, os neutrinos libertados logo após o big bang têm muito menos energia e até agora revelaram-se impossíveis de detectar.
No entanto, um prêmio fabuloso nos aguarda se conseguirmos identificá-los. Eles nos pintariam uma imagem sem precedentes do universo em seus primeiros momentos, centenas de milhares de anos antes do que jamais fomos capazes de ver antes. Isso transformaria a cosmologia.
Durante décadas, quaisquer planos para detectar estas partículas indescritíveis exigiram tecnologia além da nossa imaginação. Mas agora as coisas mudaram e tenho uma sugestão de como podemos capturá-los. No passado, simplesmente esperávamos que os neutrinos chegassem até nós. No entanto, pode haver uma maneira de fazer com que nossos detectores corram em direção a eles.
Tudo o que observamos hoje já esteve amontoado em um espaço muito menor. Quando o universo era jovem, consistia em uma partícula de plasma extremamente quente e denso. As coisas eram tão restritas que as partículas subatômicas se espalhavam constantemente umas pelas outras com tal frequência e força que os átomos não podiam se formar sem serem imediatamente quebrados novamente. Este plasma primordial era completamente opaco. Os fótons, ou partículas de luz, simplesmente não poderiam viajar muito longe sem serem absorvidos ou espalhados por outra partícula.
À medida que o Universo continuou a expandir-se e o plasma arrefeceu, tornou-se menos denso e, portanto, menos provável que os fotões fossem dispersos ou absorvidos por outras partículas. Isto continuou até que um momento chave foi alcançado, 380 mil anos após o big bang, quando os fótons puderam finalmente escapar. Agora, a luz poderia viajar sem obstruções pelo cosmos. Ainda hoje podemos ver os fótons liberados naquele instante: eles formam a luz mais antiga do universo, que chamamos de radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB).
O CMB foi descoberto por acidente. Em 1964, quando Robert Wilson e Arno Penzias instalaram a sua agora famosa antena tipo corneta para detectar ondas de rádio dos primeiros satélites-balão, toda a ideia do big bang era uma questão em aberto. Mesmo depois de considerar todas as fontes possíveis de ruído, a dupla ouviu um sinal de fundo contínuo e intrigante vindo de todas as direções. Estava lá dia e noite. Eles finalmente perceberam que estavam detectando a CMB e este foi o nosso primeiro vislumbre da primeira luz do universo.
Desde então, medimos os fótons cósmicos de fundo com alta precisão e continuamos a fazê-lo. Isto dá-nos uma imagem do Universo quando tinha 380 mil anos – um mero bebé comparado com os 13,8 mil milhões de anos que tem agora. Vemos manchas densas que mais tarde se desenvolveram em galáxias e padrões que nos informam sobre as quantidades relativas de radiação, matéria e matéria escura no universo primitivo.
A CMB é a luz mais antiga que já vimos – e a mais antiga que alguma vez veremos. Mas existe outra fonte inexplorada de informações sobre o universo primitivo que poderia nos ajudar a olhar muito mais atrás no tempo.Embora os neutrinos sejam decididamente estranhos, já os conhecemos há muito tempo. Eles foram levantados pela primeira vez em 1930 e detectados em experimentos em 1956. Eles são criados o tempo todo como consequência da radioatividade – até mesmo uma banana comum produz fluxos de neutrinos à medida que os átomos de potássio dentro dela se decompõem. No entanto, os neutrinos são extremamente leves e quase nunca interagem com qualquer outra coisa.
Devido ao seu comportamento anti-social, os neutrinos podiam mover-se sem obstruções muito antes no Universo primitivo, em comparação com a luz. Enquanto os fótons colidiam constantemente com outras partículas, os neutrinos podiam fluir livremente através daquele plasma quente e denso. A teoria do big bang prevê que os neutrinos criados no primeiro segundo do universo teriam sido imediatamente capazes de escapar da névoa e ainda hoje estariam fluindo pelo cosmos. Em vez de CMB, chamamos isso de CNB, ou fundo cósmico de neutrinos.
Descobrir o CNB seria enorme. Forneceria uma maneira completamente nova de ver como o universo se desenvolveu. Para entender o porquê, precisamos saber um pouco mais sobre os neutrinos e como eles viajam. A principal diferença entre fótons e neutrinos é que os primeiros não têm massa, enquanto os últimos têm massa, embora muito pequena. Na verdade, os neutrinos vêm em três tipos diferentes, cada um com uma massa ligeiramente diferente. Por causa disso, os neutrinos de fundo acabariam viajando a uma variedade de velocidades, todas aproximadamente 1.000 vezes mais lentas que a luz, à medida que fluem em nossa direção.
À medida que os neutrinos cósmicos percorrem o Universo, o seu curso é desviado pela atração gravitacional de objetos enormes, como galáxias, por onde passam, um efeito chamado lente gravitacional. Isto também acontece com a luz, mas como toda a luz viaja à mesma velocidade, o seu caminho é curvado de uma forma que depende da massa do objeto num determinado momento, quando o raio de luz passou. Em contraste, os neutrinos cósmicos viajam pelo espaço a velocidades diferentes e, portanto, passam por esses objetos enormes em momentos diferentes. Isto significa que, se pudéssemos examinar o céu em busca de neutrinos cósmicos, poderíamos usá-los para vislumbrar a estrutura em grande escala do universo em diferentes momentos. Pense assim: se a CMB nos mostrasse uma foto em preto e branco do universo primitivo, os neutrinos cósmicos produziriam um filme 3D colorido.
Embora nunca os tenhamos visto, temos boas razões para pensar que os neutrinos cósmicos estão lá: a sua existência é uma consequência tão inevitável do big bang como a CMB. E se eles não estiverem por perto, descobrir seria uma descoberta incrível. Seria uma contradição directa do modelo estabelecido do big bang – uma contradição que exigiria uma nova e excitante física para a explicar. Simplesmente devemos tentar detectá-los.
Mas não será fácil. Embora experimentos tenham detectado alguns tipos de neutrinos de energia mais alta, como os produzidos pelo Sol, a energia dos neutrinos cósmicos seria um bilhão de vezes menor que a do neutrino de energia mais baixa de outras fontes que observamos até agora, tornando-os inestimavelmente difíceis de detectar. pegar.
A primeira ideia para encontrá-los foi proposta em 1962 pelo falecido físico ganhador do Nobel Steven Weinberg. Ele foi inspirado por uma tecnologia que foi usada pela primeira vez para descobrir neutrinos sem fundo na década de 1950 e mais tarde usada para detectar neutrinos solares.
Acontece que, se um neutrino atingir um átomo, pode ser capturado, transmitindo energia suficiente para transformar uma das partículas constituintes do átomo, um protão, noutra, um neutrão. Os elementos químicos são definidos pela quantidade de prótons que possuem, portanto, se esse processo acontecer, ele produzirá um elemento químico diferente – que é detectável e é um sinal infalível de que um neutrino estava envolvido.
Em 1970, os físicos Raymond Davis Jr. e John Bahcall decidiram encontrar esses sinais enchendo um tanque com 380 mil litros de um líquido rico em cloro. Se um neutrino atingisse um dos átomos de cloro, ele o transformaria em um átomo de argônio. O único problema era que os raios cósmicos que chegavam – partículas de alta energia vindas do espaço – poderiam fazer a mesma coisa. Então a dupla colocou seu tanque na mina de ouro desativada de Homestake, em Dakota do Sul, quase 1.500 metros abaixo do solo. Enquanto os raios cósmicos eram ocultados, os neutrinos aceleravam pelo solo e transformavam parte do cloro enterrado em argônio. Ao contar quantos, Davis e Bahcall conseguiram calcular a taxa de fluxo dos neutrinos solares – e ganharam o Prémio Nobel da Física em 2002.
Weinberg tinha uma estratégia semelhante em mente para descobrir neutrinos cósmicos. Mas porque têm energias tão baixas, simplesmente não são suficientemente poderosos para converter protões em neutrões em qualquer tipo de átomo estável. Por causa disso, Weinberg recorreu ao trítio, uma versão radioativa do hidrogênio com dois nêutrons e um próton. O trítio é instável, o que significa que decai naturalmente ao converter um de seus nêutrons em um próton, cuspindo um elétron ao mesmo tempo. O elétron é liberado com uma energia conhecida. Mas se um núcleo de trítio absorver um neutrino cósmico antes de ele decair, a energia do elétron que ele cospe pode exceder o que seria esperado, porque o neutrino acrescenta alguma força extra. Weinberg raciocinou que, se pudéssemos medir a energia do elétron com extrema precisão e detectássemos elétrons com energia incomum sendo produzidos pelo decaimento do trítio, teríamos descoberto a formação de neutrinos cósmicos.
Tudo isso seria extraordinariamente desafiador. Usar 100 gramas de trítio produziria apenas quatro absorções de neutrinos – e portanto quatro elétrons extraordinariamente energéticos – por ano. Isso é minúsculo comparado com a liberação de 100 trilhões de elétrons de energia mais baixa por segundo através do decaimento natural. Detectar esses quatro elétrons invasores seria quase impossível e, atualmente, a tecnologia é limitada em todas as frentes. No entanto, existe uma colaboração activa de investigação internacional chamada PTOLEMY que visa construir um protótipo de tal detector.
Entretanto, outros físicos propuseram diferentes formas de detectar neutrinos cósmicos – algumas com maior probabilidade de serem bem sucedidas do que outras. Em 1974, o falecido físico Reuven Opher sugeriu pela primeira vez medir a pressão que os neutrinos cósmicos exercem sobre uma sonda especial chamada pêndulo de torção. Mas como os neutrinos mal interagem com a matéria, esta pressão seria minúscula e precisaríamos de melhorar a sensibilidade das melhores medições de tal configuração por um factor de mil milhões para ter esperança de sucesso.
Depois, há a ideia proposta pelo físico Thomas Weiler em 1984, que envolve a contagem dos raios cósmicos como um proxy diferente para os neutrinos cósmicos. Acontece que neutrinos de alta energia podem atingir a atmosfera e produzir um raio cósmico que então atinge a Terra. Podemos detectar esses raios cósmicos com segurança. Mas existe um processo raro em que um neutrino cósmico atinge um dos neutrinos de alta energia e os dois se aniquilam, o que significa que são criados menos raios cósmicos. Assim, em teoria, poderíamos determinar a presença dos neutrinos cósmicos por uma queda na taxa de raios cósmicos que chegam. Se isso parece um tiro no escuro, certamente é. Precisaríamos operar um detector durante séculos antes de conseguirmos ver a queda.
Em suma, todas as ideias para capturar o CNB apresentam sérias dificuldades. É por isso que, recentemente, meu aluno de doutorado Jack Shergold e eu criamos um caminho alternativo possível para a descoberta. Baseia-se na superação do principal obstáculo de cada experimento proposto: os neutrinos cósmicos carregam tão pouca energia.
Nos detectores normais de neutrinos, enormes tonéis de átomos ficam parados esperando que neutrinos solares que se movem relativamente rápido os atinjam. Quando se trata de neutrinos cósmicos, eles se movem muito mais lentamente e têm menos energia, por isso as colisões são mais difíceis de detectar. Não podemos fazer nada sobre os neutrinos. Mas e os átomos alvo? Poderíamos de alguma forma acelerá-los para que, quando colidissem com neutrinos cósmicos, a colisão geral fosse mais difícil?
Acelerar átomos é difícil, pois eles são eletricamente neutros. Isso significa que eles não são influenciados pelos fortes campos eletromagnéticos usados em aceleradores como os do CERN para levar partículas carregadas, como prótons, a velocidades próximas à da luz. No entanto, há um truque que podemos usar: se retirarmos alguns dos eletrões externos de um átomo, isso produz uma versão carregada do átomo chamada ião. Isso pode ser acelerado usando tecnologia comum e o fato de um elétron ter desaparecido faz pouca diferença em quaisquer interações com neutrinos.
No ano passado, Shergold e eu consideramos uma situação em que usamos um acelerador para acelerar um grande número de íons. Os neutrinos de fundo cósmico inundariam o acelerador o tempo todo, da mesma forma que passam pelo seu corpo. Calculamos que seria possível projetar uma configuração como esta para que tivéssemos colisões com energia suficiente para detectar neutrinos cósmicos.
Se empregássemos a transição de cloro para argônio usada no experimento Homestake, isso exigiria um acelerador com uma energia um milhão de vezes maior que a do Grande Colisor de Hádrons (LHC). Isto é, obviamente, um enorme problema.
Mas existem outros tipos de íons que podem funcionar. Por exemplo, poderíamos acelerar iões de hélio que, se atingidos por um neutrino, se transformariam em trítio. Para que isso funcionasse, precisaríamos de um acelerador apenas cerca de 100 vezes mais potente que o LHC. Não é moleza, mas também não está fora de questão. Outro desafio seria acelerar o grande número de íons necessários; seria muito mais do que normalmente usado em experimentos de destruição de partículas.
Ainda estamos numa fase inicial da investigação nesta área. O truque será encontrar íons que interajam com os neutrinos com a energia mais baixa possível. Dessa forma, precisaríamos de menos deles – talvez muito menos.
Encontrar íons com as propriedades corretas para tornar isso realidade pode não ser mais fácil do que realizar o experimento de Weinberg. No entanto, o desafio é diferente e muito menos explorado, o que faz com que valha a pena investigar.
Algumas das maiores descobertas da física – do bóson de Higgs às ondas gravitacionais – levaram décadas para serem feitas. Da mesma forma, levará algum tempo para encurralar os primeiros neutrinos cósmicos. Mas poderíamos estar a um passo de encontrar as partículas fantasmagóricas que transportam os primeiros segredos do universo.
