Arthur McDonald: “Mostramos que a física usada para a fusão nuclear na Terra é muito rigorosa”

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10 Setembro 2016

Prêmio Nobel da Física 2015 está em Portugal para visitas e conferências sobre os neutrinos, partículas geradas no Sol que até há poucas décadas eram alvo de um grande mistério.

Como é apanágio dos físicos, um avanço científico sobre assuntos que para a maioria de nós são abstratos, para Arthur McDonald, de 73 anos, foi suficiente para alterar a sua ideia do Universo. Em 2002, as experiências realizadas no Observatório de Neutrinos de Sudbury (SNO, sigla em inglês), no Ontário, Canadá, dirigido pelo físico, ajudaram a concluir que os neutrinos têm massa. A descoberta deu a Arthur McDonald o Prêmio Nobel da Física de 2015, juntamente com o japonês Takaaki Kajita, responsável pelo Super-Kamiokande, um observatório de neutrinos no Japão, onde se realizaram experiências com resultados semelhantes.

A entrevista é de Nicolau Ferreira, publicada por Público, 08-09-2016.

Os neutrinos são uma das partículas básicas do universo. Estão por todo o lado, mas interferem muito pouco com a matéria. Por isso, são difíceis de se detectar. Estas partículas são produzidas nas reações nucleares do Sol. Durante décadas os neutrinos estavam na origem de um quebra-cabeças para os físicos: o número emitido pelo Sol, segundo os modelos, não batia certo com o número observado na Terra. A descoberta das equipas de Takaaki Kajita e Arthur McDonald explicou a diferença.

Desde o prêmio, o físico passou a visitar os países com que colabora no SNO. É por isso que o encontramos em Lisboa, na Embaixada do Canadá, para uma semana de conferências e visitas que termina esta quinta-feira na Universidade do Minho, em Braga, onde foi convidado pelo Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) para abrir a 20ª Conferência Nacional de Física.

Alguns cientistas do LIP trabalharam na experiência do SNO e estão envolvidos no próximo projeto do observatório, o SNO+. O físico português José Maneira é o líder no LIP para o SNO+. Durante a entrevista, Arthur McDonald não se cansou de falar sobre esta colaboração. “Apesar do Nobel ter sido atribuído a uma pessoa, estou consciente de que represento 270 cientistas”, disse-nos, antes das perguntas começarem. Na conversa, atravessamos a Terra, o Sol e os átomos para compreender mais um momento “eureka!” da ciência que nos explica o Universo.

Eis a entrevista.

O que são neutrinos?

Há três partículas que são os tijolos básicos da natureza: os electrões, os quarks e os neutrinos. Destas, os neutrinos são os mais difíceis de observar porque só sentem a força fraca [uma das quatro forças da natureza com a gravidade, o electromagnetismo e a força forte]. Por isso, os neutrinos podem atravessar uma quantidade enorme de material sem serem parados. Para eles, os átomos são espaços maioritariamente abertos.

Os neutrinos são muito valiosos para se perceber o que está a acontecer no núcleo do Sol, porque as reações nucleares no Sol emitem uma quantidade enorme de neutrinos. Tivemos de construir um detector com o tamanho de um prédio de dez andares para observar um neutrino por hora.

Como físico, o que surge na sua mente quando se refere a partículas?

Penso num projeto muito pequeno. O neutrino é tão pequeno que só pára quando bate no núcleo de um átomo ou num electrão que anda em torno de um átomo, tem cerca de um milhão de vezes menos massa do que um electrão.

Qual era o lugar dos neutrinos no Modelo-Padrão da física das partículas, que descreve ao nível subatômico o mundo?

Fazendo parte dos tijolos básicos do universo, os neutrinos são fundamentais para completar o Modelo-Padrão. Mas pensava-se que eles não tinham massa. A nossa experiência mostrou que eles têm massa. Esta foi a primeira vez que se provou que era necessário alterar o Modelo-Padrão. A física teórica tem de adicionar a este modelo os mecanismos básicos que explicam como é que os neutrinos ganham massa. Isto poderia ser olhado pelos físicos como um falhanço. Em vez disso, os físicos viram isto como uma janela fascinante para a física que vai para lá do Modelo-Padrão. Porque sabíamos que existem várias partes do universo que o Modelo-Padrão não explica.

Quais são as consequências de se descobrir que os neutrinos têm massa?

Permite definir corretamente o que acontece às partículas ao nível microscópico. Além disso, usamos os neutrinos para compreender com mais exatidão como funciona a combustão no interior do Sol. Quando começamos as medições no SNO, havia um quebra-cabeças: em comparação com o número de neutrinos emitidos pelo Sol, o número que chegava à Terra era demasiado pequeno. O que acontece é que os neutrinos mudam de um tipo para outro à medida que viajam do Sol até aos nossos detectores na Terra. Essa mudança de tipo era algo que estava fora do Modelo-Padrão e que não poderia ocorrer se os neutrinos não tivessem massa. Resolvemos esse quebra-cabeças. Quando se faz esta correção, o nosso conhecimento sobre como o Sol trabalha torna-se extremamente preciso.

Que impacto tem isso para nós?

O Sol queima por fusão nuclear. Na Terra, estamos a tentar explorar a fusão nuclear como fonte de energia. É como tentar agarrar o Sol num lugar confinado, usam-se campos magnéticos para isso. Mostramos que a física usada para explicar como a fusão nuclear acontece, como produz energia no interior do Sol, é muito rigorosa. Os físicos e os engenheiros que estão a tentar reproduzir a fusão nuclear podem estar seguros de que esta física é consistente.

Qual foi o papel do SNO na descoberta?

Existem três tipos de neutrinos: os neutrinos do electrão, os neutrinos do muão e os neutrinos do tau. No SNO observamos muito claramente os neutrinos do electrão mudarem para os outros dois tipos. O Super-Kamiokande observou neutrinos do muão produzidos na atmosfera a mudarem para outros tipos de neutrinos. Estas duas experiências deram o Nobel da Física.

Por que é que a mudança de um tipo de neutrino para outro prova que ele tem massa?

Isso exige uma resposta complicada. A teoria da relatividade restrita diz que uma partícula que viaja à velocidade da luz não tem um relógio interno que pode registar mudanças na natureza da oscilação de um tipo para outro [como acontece com o neutrino, ao mudar de tipo]. Por isso, os neutrinos não podem andar à velocidade da luz. Se não podem andar à velocidade da luz, eles são mais lentos do que a velocidade da luz e por isso têm uma massa superior a zero.

Por que é que foi necessário fazer o observatório?

Na década de 1960, houve cálculos feitos do número de neutrinos que vinham do Sol baseados nos modelos da combustão do Sol. Depois, houve uma medição feita pelo [físico norte-americano e Nobel] Raymond Davis (1914-2006) que olhou apenas para os neutrinos de electrão produzidos no interior do Sol e observou [na Terra] apenas um terço dos neutrinos que eram esperados. Ou havia um problema nos cálculos sobre a combustão do Sol ou então os neutrinos podiam mudar de um tipo para o outro. Decidimos fazer uma experiência para perceber o que se passava fazendo medições tanto aos neutrinos do electrão que alcançam a Terra como ao número total de neutrinos que cá chegam.

Como é o observatório por dentro?

Imagine-se uma cavidade, dois quilômetros abaixo do solo numa mina de níquel que continua ativa, com 110 metros de altura e 22 metros de diâmetro. Lá dentro, há uma esfera de acrílico com 12 metros de diâmetro envolta numa esfera com 18 metros de diâmetro com 10.000 sensores de luz extremamente sensíveis. Estes sensores detectam clarões de luz muito fracos causados pelos neutrinos que penetram na esfera de acrílico e batem no material que está lá dentro. Na experiência original, esse material era água pesada. O resto da cavidade tinha água muito pura. Tudo está extremamente limpo e por isso não há nenhuma interferência da radioatividade. Como está a dois quilômetros de profundidade, a experiência não tem nenhuma interferência dos raios cósmicos. É um detector muito grande e a construção foi feita por muitas pessoas ao longo de muitos anos.

Qual foi o seu papel no projeto?

Estive envolvido desde o início. Houve 16 pessoas que começaram o projeto em 1984. Nessa altura era professor na Universidade de Princeton (EUA). Tínhamos um líder dos EUA e outro do Canadá no projeto. O líder dos EUA morreu passados três anos e fiquei responsável pelo projeto do lado dos EUA. Em 1989, o líder do Canadá ia reformar-se e fui contratado como diretor do projeto no Canadá. Desde então sou diretor do projeto.

Quanto custou?

Ao todo, 100 milhões de dólares canadianos [69 milhões de euros].

Qual foi a sensação quando a experiência mostrou a oscilação dos neutrinos?

Foi muito entusiasmante. Foi um momento eureka! para toda a gente.

Essa descoberta alterou a forma como via o universo?

Sim, porque mostrou que os neutrinos têm um papel em muitas áreas diferentes. Se os neutrinos têm uma massa, então poderiam influenciar a formação do universo primordial. Eles interagem de uma forma fraca [com as outras partículas], mas interagem. Por isso eles poderiam mudar a forma como as estrelas e as galáxias se formam. Com a informação mais recente, pensamos que a sua massa é demasiado pequena para isso. Estamos à procura de outras partículas — as da matéria escura podem ter uma influência similar.

A descoberta também mudou a forma como se pensa que os neutrinos participam nas reações nucleares. E validou os cálculos sobre a combustão no Sol.

Porque escolheu estudar Física?

Os jovens perguntam-me como é que se escolhe uma carreira. Eu respondo: “Devem pensar no que gostam de fazer, experimentar algumas dessas coisas e ver em quais são bons.” Sabia e gostava muito de matemática quando entrei na universidade, mas queria aplicá-la na ciência. No primeiro ano da universidade tentei diferentes tipos de ciência. Em física, eu gostava e era bom.

E estudar os neutrinos?

Era uma questão muito intrigante para se responder: tinha a capacidade de nos dizer que a nossa compreensão da combustão do Sol não estava correta ou então que não tínhamos compreendido a física básica. Com a tecnologia em que me tinha especializado no passado e com um grupo extremamente bom de colaboradores em todo o mundo, pareceu-me um desafio que valia a pena. Era um daqueles casos em que havia riscos por estarmos a fazer coisas muito incomuns, mas a recompensa em termos de ciência poderia ser bastante substancial.

Como foi receber o Nobel?

Foi uma experiência fora do comum; continuo a beliscar-me para ter a certeza de que não foi um sonho.

Qual é a importância das colaborações internacionais?

Estes projetos são tão grandes e envolvem tantos aspectos diferentes essenciais para o sucesso das experiências que ter um grupo internacional alargado é muito valioso. O grupo de cientistas do LIP, em Portugal, é especialista em calibrar estas experiências e desenvolveu equipamento essencial para medirmos a magnitude dos clarões de luz detectados pelos nossos sensores no SNO+.

O que é que esperam descobrir com o SNO+?

No SNO+ vamos estudar propriedades dos neutrinos associadas à relação entre a matéria e a antimatéria no Universo. Estamos à procura de um decaimento radioativo muito raro. Como esta experiência tem um dos ambientes com menor radioatividade de fundo em todo o mundo, somos capazes de fazer medições extremamente sensíveis. Esta informação relaciona-se com a questão sobre por que é que temos matéria e não temos quantidades iguais de matéria e antimatéria no Universo. Vamos arranjar uma grande quantidade do metal telúrio e dissolvê-lo num material que emite luz quando ocorre um decaimento radioativo. Depois, esperamos alguns anos para tentar obter informação. A experiência pode também revelar-nos qual é a quantidade de massa que os neutrinos têm e isso será muito importante para perceber como é que o Universo evoluiu.

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