Representações da deusa romana da sabedoria, Minerva, mostram-na em vestes esvoaçantes, usando um nobre capacete de guerra e segurando uma coruja. Em contraste, a experiência MINERvA apresenta um enorme detector de partículas com os nomes dos cientistas colaboradores rabiscados na frente.



Embora bastante diferente na aparência, este experimento com neutrinos fornece profunda sabedoria aos cientistas, assim como seu homônimo representou. Entre os seus muitos conhecimentos, os cientistas usaram o MINERvA para compreender melhor o tamanho e a estrutura dos protões, um dos blocos de construção dos átomos.

MINERvA é um experimento de espalhamento de neutrinos no Fermilab do Departamento de Energia. Os neutrinos são partículas minúsculas, eletricamente neutras e incrivelmente abundantes. O sol, outras estrelas e muitos objetos diferentes os produzem como resultado de reações atômicas. Na verdade, existem mais neutrinos no universo do que qualquer outra partícula com massa.

Apesar de serem onipresentes, nunca notamos neutrinos porque eles quase nunca reagem com alguma coisa. Estudar os neutrinos é essencial para compreender como o nosso universo se formou no passado e funciona agora.

Para compreender melhor esta partícula fundamental, os cientistas estudam como os neutrinos interagem com os materiais nas raras ocasiões em que realmente o fazem. A missão do MINERvA é capturar essas interações.

Ele usa um feixe de neutrinos de alta intensidade para estudar como eles interagem com os núcleos de cinco elementos diferentes. Ao fazer com que os neutrinos atinjam alvos feitos de diferentes materiais – água, hélio, carbono, ferro, chumbo e plástico – os cientistas podem comparar as reações. Mapear as diferentes interações ajudará os cientistas a analisar os resultados de outros experimentos, como o próximo Deep Underground Neutrino Experiment.

Além deste objetivo, os cientistas da colaboração MINERvA descobriram outra utilização inteligente para os seus dados – investigar o tamanho e a estrutura do protão.

Junto com os nêutrons, os prótons constituem os núcleos dos átomos que nos constituem e a tudo que nos rodeia. Eles são um dos blocos de construção da matéria com os quais interagimos todos os dias.

Mas estudar partículas subatômicas é muito mais complicado do que estudar objetos maiores. Partículas subatômicas são pequenas demais para serem estudadas com ferramentas comuns como microscópios. Além disso, o “tamanho” de uma partícula subatômica não tem exatamente o mesmo significado que o tamanho de um objeto que pode ser medido com uma régua. Em vez disso, os cientistas estudam as forças que mantêm o próton unido.

No passado, os cientistas estudaram o tamanho do próton usando a força eletromagnética. O eletromagnetismo é uma das quatro forças fundamentais do universo. Campos magnéticos, campos elétricos e até mesmo luz estão sob a força eletromagnética. Ele liga elétrons ao núcleo (feito de prótons e nêutrons) no átomo. Também é parcialmente responsável pela estrutura do núcleo.

Para representar o tamanho do próton, os cientistas normalmente usam o raio da carga elétrica. Esse é o raio médio da carga elétrica distribuída no próton. Para medir esta característica, os cientistas apontam um feixe de elétrons de uma única energia para um alvo. Os elétrons voam para longe dos prótons em muitas direções e energias diferentes, o que dá aos cientistas informações sobre a estrutura interna dos prótons.

Usando esta técnica, os cientistas conseguiram fazer uma medição muito precisa do tamanho do raio médio da carga elétrica do próton e, portanto, dos quarks que fornecem a carga elétrica.

Liderada por Tejin Cai (então estudante de doutorado na Universidade de Rochester), a colaboração MINERvA teve uma abordagem diferente. A ideia era usar antineutrinos – o gêmeo antimatéria dos neutrinos – para estudar prótons.

Como os neutrinos (e antineutrinos) não têm carga, eles não interagiriam por meio da força eletromagnética. Em vez disso, os neutrinos interagiriam através da força fraca nos prótons. A força fraca e a gravidade são as únicas duas maneiras pelas quais os neutrinos interagem com qualquer coisa.

Apesar do nome, a força fraca é poderosa. Outra dessas quatro forças fundamentais, permite o processo pelo qual os prótons se transformam em nêutrons ou vice-versa. Esses processos são os que impulsionam as reações nucleares do Sol e de outras estrelas. Os neutrinos oferecem uma ferramenta única para estudar a força fraca.

Mas a força fraca só entra em ação quando as partículas estão muito, muito próximas umas das outras. À medida que os neutrinos voam pelo espaço, eles geralmente se movem através dos espaços (comparativamente) vastos entre os elétrons e o núcleo de um átomo.

Na maioria das vezes, os neutrinos simplesmente não estão próximos o suficiente dos prótons para interagirem por meio da força fraca. Para possivelmente obter medições suficientes, os cientistas precisam disparar números impressionantes de neutrinos ou antineutrinos contra um alvo.

O poderoso feixe de neutrinos do MINERvA e os diversos alvos tornaram esse objetivo possível. Num mundo ideal, os cientistas apontariam os neutrinos para um alvo feito de nêutrons puros, ou os antineutrinos para um alvo feito de prótons puros. Desta forma, os cientistas poderiam obter medições mais específicas. Infelizmente, essa não é uma configuração experimental muito realista.

Mas o MINERvA já tinha a segunda melhor opção:muitos antineutrinos e um alvo feito de poliestireno. O material que compõe o isopor, o poliestireno, é feito de hidrogênio ligado ao carbono. Usando esse alvo, os cientistas obteriam medições de como os antineutrinos interagem tanto com o hidrogênio quanto com o carbono.

Para separar o hidrogênio do carbono, os cientistas adotaram uma abordagem semelhante a tirar uma foto e depois excluir o fundo para permitir focar apenas em alguns itens. Para determinar essas interações neutrino-carbono de “fundo”, os cientistas analisaram os nêutrons.

Quando os antineutrinos interagem com prótons no carbono ou prótons sozinhos no hidrogênio, eles produzem nêutrons. Ao rastrear os nêutrons, os cientistas poderiam trabalhar de trás para frente para identificar e remover as interações carbono-antineutrino das interações hidrogênio-antineutrino.

Obter o número necessário de interações testou verdadeiramente as capacidades do MINERvA. Ao longo de três anos, os cientistas registaram mais de um milhão de interações de antineutrinos com outras partículas. Apenas 5.000 deles eram com hidrogênio.

Esses dados finalmente permitiram aos cientistas calcular o tamanho do próton usando neutrinos. Em vez do raio da carga elétrica, eles calcularam o raio da carga fraca do próton. Foi a primeira vez que os cientistas usaram neutrinos para fazer uma medição estatisticamente significativa desta característica.

Considerando as incertezas, o resultado ficou muito próximo das medições anteriores do raio da carga elétrica do próton. Como se trata fundamentalmente de medir a distribuição espacial dos quarks e glúons que compõem o próton, esperava-se que o valor fosse semelhante.

Esta nova técnica dá aos cientistas outra ferramenta em seu kit para estudar a estrutura do próton. É uma prova da sabedoria que podemos adquirir quando os cientistas pensam criativamente sobre a utilização de experiências existentes para explorar novas áreas de investigação.

Fornecido pelo Departamento de Energia dos EUA