Segundo o físico brasileiro André Luiz de Gouvêa, os misteriosos neutrinos podem ser a chave para resolver o problema da quantidade de matéria no universo

Há uma diferença gritante entre a quantidade de massa total observada no Universo e o que é previsto pelos modelos teóricos. Medidas da radiação cósmica de fundo –  um tipo de fóssil do Big Bang – indicam que há cinco vezes mais matéria que não interage com fótons do que de matéria que interage com fótons, levando os físicos a cogitarem a existência de uma matéria, que não interage com a luz; a matéria escura. Muitas teorias e experimentos em física estão sendo projetados para solucionar essa questão da cosmologia. Formado em física pela PUC-Rio, o carioca André Luiz de Gouvêa dedica-se a esse tipo de dilema. Ele teve passagens pelo Fermilab, Lafex, CERN (Suíça) e, atualmente, é professor da Universidade Northwestern, nos EUA, e membro do conselho científico do ICTP-SAIFR, desde o início de 2018. Recentemente, Gouvêa analisou a sensibilidade de grandes experimentos da física de partículas, o DUNE e o Hyper-Kamiokande, com o objetivo de detectar interações específicas de neutrinos e antineutrinos. Entre os dias 23 de julho e 3 de agosto, o pesquisador esteve em São Paulo participando da Escola de detecção de neutrinos e matéria escura, do ICTP-SAIFR|IFT-UNESP. Ele falou sobre “o que sabemos que não sabemos”, na fronteira da física de partículas e neutrinos, e ofereceu perspectivas sobre a tão esperada detecção da matéria escura.  

Como foi sua trajetória entre a graduação em física e o interesse por física de partículas?

Comecei a me interessar pela parte experimental de física de partículas. As vantagens de ser experimental é que você pode contribuir mais como aluno de graduação e mestrado. Quando fui pra fora do Brasil, para o doutorado, é que comecei a trabalhar com fenomenologia, modelos super simétricos e outros temas populares. Naquela época, surgiam modelos novos de neutrinos e, então, trabalhar com teoria era interessante porque tentávamos antecipar o que as próximas experiências poderiam medir.  

Os físicos  pensam as partículas como objetos clássicos, como pontos e bolinhas, ou como ondas?

Em física, usamos uma linguagem matemática para descrever as partículas. E, mesmo para nós, em várias situações, as partículas lembram objetos clássicos como pontos. Toda vez que elas se manifestam de forma mais palpável nos detectores, a impressão é de que cada partícula é um ponto. Mas a matemática que se usa para traçar o caminho das partículas é ondulatória.

E os neutrinos, o que são?

Os neutrinos (e também os fótons) são as partículas mais abundantes do Universo. Há 1 bilhão de vezes mais fótons e neutrinos que prótons e elétrons! Somos bombardeados com neutrinos a uma taxa de 100 bilhões por segundo. Eles não têm carga elétrica, como os elétrons, e interagem muito pouco.

Como é então possível detectá-los?

Os neutrinos têm uma outra propriedade – associada a maneira como reagem à força nuclear Fraca – que chamamos de “sabor”. Hoje sabemos que, de acordo com os sabores, podemos classificar os neutrinos em três tipos: o neutrino-múon, neutrino-tau e neutrino-elétron. Mas chegar até isso foi um longo e árduo caminho. Na década de 60, por exemplo, as primeiras medidas do fluxo de neutrinos produzidos no Sol, não batiam com as previsões teóricas. Esse assunto só foi resolvido na virada do século quando ficou estabelecido que o neutrino pode mudar de sabor enquanto se propaga. Estes resultados responderam perguntas fundamentais que tínhamos sobre os neutrinos – “Eles têm massa?”; “Eles oscilam de um sabor para o outro?” e convidam outras perguntas mais fundamentais – “Por que eles têm massa?”; “Como eles oscilam de um sabor para o outro?”.

Quais foram os experimentos que confirmaram as propriedades dos neutrinos?

Dentre esses experimentos, estão o KamLAND e o Super-Kamiokande, ambos no Japão, e o SNO [Sudbury Neutrino Observatory], no Canadá. Com dados do SNO e do KamLAND, conseguimos explicar a questão dos neutrinos do Sol. Os primeiros resultados do Super-Kamiokande, anunciado em 1998, revelaram que os neutrinos produzidos na atmosfera também podem alterar suas identidades, oscilando entre os sabores. Essas descobertas renderam o prêmio Nobel de física de 2015 às colaborações Super-Kamiokande e SNO. A comprovação foi decisiva para a física de neutrinos porque a consequência da oscilação entre os sabores é que eles têm massa.

O que diferencia partículas que têm massa de partículas sem massa?

Se recorrermos à relatividade restrita – que trata de partículas que se movem próximas da velocidade da luz -, fica mais fácil entender essa diferença. Do ponto de vista das partículas sem massa, como as partículas da luz – os fótons -, qualquer distância no Universo é infinitamente pequena, o que equivale dizer que elas chegam simultaneamente a qualquer lugar. Uma partícula com massa, como o neutrino-elétron, sabe distinguir tempos curtos de tempos longos, “ele enxerga as distâncias”.

Quando se detecta um neutrino, é possível dizer para qual dos sabores se está olhando?

Na prática, toda vez que se detecta um neutrino, não se consegue determinar qual sua massa, só é possível medir o seu sabor. Por exemplo, um neutrino-elétron produzido em São Paulo seria detectado em Salvador já com outro sabor. Os neutrinos mudam de sabor ao longo do tempo com uma probabilidade que pode ser calculada.

Como é o mecanismo que leva os neutrinos a mudar de sabor?

Temos que olhar para cada um dos sabores das partículas e associar a eles uma onda. Essa onda é uma mistura de três ondas distintas, associadas aos neutrinos com massa. O fenômeno pode ser então entendido como interferência de ondas.

Qual o papel da massa no mecanismo de oscilação dos neutrinos?

Agora que sabemos que os neutrinos têm massa, podemos classificá-los de acordo com o valor da massa. Digamos, um neutrino com massa 1, outro com massa 2, e um terceiro com massa 3. Mas não é possível associar massas e sabores de maneira clássica. O neutrino-elétron, por exemplo, não é uma partícula, mas uma mistura quântica de partículas com massas bem definidas e isso vale para os outros sabores. Cada uma das componentes com massa bem definida tem uma velocidade ligeiramente diferente, mas frequências bem próximas. O que faz o neutrino oscilar é que, durante o tempo em que ele viaja de um lugar a outro, as ondas correspondentes a eles se propagam de forma distinta, e a combinação delas – o que define o sabor – muda com o tempo.

As antipartículas dos neutrinos, os antineutrinos, oscilam da mesma forma?

Podemos entender essa pergunta da seguinte maneira: se a probabilidade de um neutrino de sabor A ser medido como um neutrino de sabor B (diferente de A) é igual a probabilidade de um anti-neutrino de sabor A ser medido como um antineutrino de sabor B. Os físicos se referem a esse fenômeno como a violação da simetria CP entre os neutrinos. Hoje, nós não sabemos a resposta apesar de haver fraca evidência que a simetria CP é violada entre os neutrinos.

Quais as contribuições esperadas dos experimentos DUNE e Hyper Kamiokande nessas questões?

Um dos objetivos principais dos projetos DUNE e Hyper-Kamiokande é descobrir de forma clara se os neutrinos respeitam a simetria CP. O que eles querem estabelecer é se a probabilidade de um neutrino de sabor A ser medido como um neutrino de sabor B (diferente de A) é igual a probabilidade de um antineutrino de sabor A ser medido como um antineutrino de sabor B. Na prática “sabor A” é o sabor muônico (relacionado ao muon), “sabor B” é o sabor eletrônico (relacionado ao elétron).

Os neutrinos são candidatos a matéria escura?

Sim. Mas, apesar de serem muito abundantes, os neutrinos têm uma massa pequena demais. Há muitos candidatos, no entanto. Uma das hipótese mais estudada é que a matéria escura seja formada por partículas que chamamos de WIMPS – Weakly Interacting Massive Particles -, que interagem fracamente.

A matéria escura obedece a quais princípios da física?

A matéria escura interage gravitacionalmente. Quer dizer, as leis da gravidade de Newton e Einstein também se aplicam à ela. Ela está se expandindo junto com o resto do Universo e também obedece ao princípio do aumento da entropia total do Universo, a Segunda Lei da Termodinâmica. No entanto, todas as outras informações que temos sobre ela, a distinguem da matéria bariônica – composta por bárions, partículas como prótons e elétrons, e que interagem com a luz.

Como seria possível medir a matéria escura?

Partículas como os WIMPS interagem fracamente com núcleos de átomos de detectores. Uma maneira seria construir detectores super-precisos e observar a passagem de uma partícula de matéria escura, causando uma leve movimentação nos núcleos dos átomos dos detectores, na Terra. Observar se os detectores se mexem “sozinhos”.

E o neutrino estéril?

Ele é um novo tipo de partícula que está sendo cogitada. Apesar de interagirem muito pouco, são capazes de “conversar” com os outros neutrinos do modelo padrão. Se forem parte da matéria escura, eles decaem, bem devagar, em um neutrino e um fóton. Para detectá-los teria de se observar a emissão de raios-X de regiões do céu onde se supõe haver muitos neutrinos estéreis, como as galáxias anãs, usando um satélite, um balão ou um foguete.  

Quais são as expectativas da comunidade para detectar a matéria escura?

Agora, a campanha experimental é grande, mas, se daqui há dez anos não encontrarem nada, é bom procurar outra resposta e algumas ideias teóricas serão revisitadas.  

Há outras propostas além dela?

Matéria e energia escura são uma forma de parametrizar a nossa ignorância. É possível que haja algo bem simples e que ainda não sabemos. Um outro caminho seria modificar a própria teoria da gravidade.

Qual das das alternativas é mais simples?

Sem dúvida, os modelos de matéria escura geram menos complicação. O motivo disso, talvez, seja o conservadorismo dos físicos. Mas existem problemas quanto a mudar a gravidade. As coisas funcionam muito bem no sistema solar com a teoria gravitacional que temos hoje. A gravidade teria que ser modificada a nível da galáxia, aglomerados de galáxias, o efeito dessa gravidade nova será gigante. Colisão entre dois aglomerados de galáxia, nuvens de gás interestelar, o gás interage bastante, emite raios-X, o que acontece com a massa de galáxia? Depois da colisão as massas se afastam, mas o gás ficou para trás, mudando a lei da gravidade. A lei da gravidade não explica porque a massa está em um lugar e a gravidade está em outro.

E quanto a modificar os modelos físicos atuais?

Nós temos teorias que funcionam bem, e quando há resultados que não sabemos explicar, acrescentamos ingredientes novos. Por outro lado, a linguagem que usamos para descrever talvez tenha um erro fatal. É possível que, usando essa linguagem, seja impossível descrever o que estamos observando. Mudar a linguagem que a gente usa é muito difícil. O modelo atual é muito sofisticado e bem sucedido. Uma ideia nova com uma linguagem nova teria que ser igual ou melhor para se explicar tudo o que a gente já consegue explicar e mais o que não consegue.

Na última edição do Papos de Física a professora de física, Ivone Albuquerque, falou sobre a misteriosa matéria escura e sobre o quão pouco conhecemos o nosso universo 

A professora Ivone Albuquerque falando sobre matéria escura no Tubaína Bar

“Quando você olha para o céu, o que você vê?” Com esse questionamento a professora Ivone Albuquerque, começou a discussão sobre “O lado escuro do universo”. Pesquisadora na área de astrofísica de partículas, a cientista foi a convidada do mês de abril para realizar mais uma edição do Papos de Física, que aconteceu na  primeira quinta-feira do mês, dia 05 de abril, no Tubaína Bar. Voltemos a pergunta que deu início a palestra e a essa matéria, o que você vê quando olha para o céu?

Se for em São Paulo, não muita coisa, como brincou a professora, mas se nos afastarmos um pouquinho mais e fazermos nossa observação em um local longe de toda a iluminação da grande cidade, poderemos ver milhões de pontinhos brilhantes na escuridão que representam milhões de astros espalhados pelo universo. A grande responsável por nos permitir essa experiência, e por nos tornar capazes de ver qualquer objeto a nossa volta, é a luz.

A luz, por si só, carrega muita informação que astrônomos e cosmólogos usaram ao longo do tempo para aprender mais sobre o espaço no qual estamos inseridos. Por meio dela podemos determinar, por exemplo, qual é a distância de uma estrela até o nosso planeta, com base no tempo que a luz percorre até alcançar a Terra. Por isso a medida de distância utilizada na astronomia é calculada em anos/luz. Quando se diz que um objeto está a 2,5 milhões de anos-luz, como é o caso da Galáxia de Andrômeda, significa que sua luz demorou 2,5 milhões de anos para chegar até nós, ou seja, muitos dos pontinhos brilhantes que vemos no céu podem não existir mais! Olhar para o céu, é olhar para a história do universo.

A luz visível está contida em uma pequena parte do chamado “espectro eletromagnético”, uma escala que também inclui ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, ultravioleta, raios-X e raios gama. Apesar dessas ondas serem imperceptíveis para nossa visão, elas carregam informações que podem ser medidas e analisadas com telescópios. Assim, tudo o que nós sabemos sobre os astros é determinado pela luz que chega até nós em suas diferentes faixas. Isso é uma indicação de que a matéria que nós conhecemos interage com a luz de diversas formas, o que nos permite descobrir suas propriedades e estudá-las, a partir da luminosidade dos astros podemos descobrir sua massa, por exemplo. Além do método do brilho, existe uma outra forma de determinar a massa das galáxias: usando o método orbital. Nesse método, esse cálculo é feito a partir das velocidades e dos raios orbitais das estrelas pertencentes a galáxia em estudo.

Espectro da Luz

Por volta de 1930, o físico Fritz Zwicky estudando o aglomerado de galáxias Coma, localizado a 300 milhões de anos luz da Terra, percebeu que a massa total obtida pelo método orbital era muito maior do que a massa total obtida pelo método de brilho. E ainda dentro dessa análise, já que massa e velocidade estão relacionadas, as velocidades individuais das galáxias dentro desse aglomerado eram tão grandes que provocariam a desagregação do aglomerado, o que obviamente não estava acontecendo. Zwicky concluiu que deveria haver uma grande quantidade de matéria invisível (matéria escura) segurando e mantendo coeso esse aglomerado graças à gravidade. Na época, os dados coletados pelo astrônomo traziam muitas incertezas o que fez com que a teoria fosse deixada de lado.

Isso até os anos 70, quando a cientista Vera Rubin estudando as velocidades orbitais das estrelas em Andrômeda, surpreendeu-se com o comportamento apresentado por estrelas distantes do centro dessa galáxia: ao invés de comportarem-se como os planetas do sistema solar, que diminuem sua velocidade conforme aumenta a distância em relação ao sol, estas permaneciam constantes. Vera Rubin concluiu que isso só seria possível se houvesse matéria escura em grande quantidade na parte mais exterior dessa galáxia. Assim foi confirmada a existência de matéria escura, mas não apenas isso, também foi determinado que, de toda a matéria que compunha o universo, 85% era desconhecida. A matéria escura ficou “escondida” por tanto tempo porque ela não interage de forma alguma com a luz, ou seja, não havia forma de observar sua existência.

Nessa situação, aquela velha frase de Sócrates “só sei que nada sei” é muito pertinente, porque mesmo hoje, com todo o avanço na tecnologia, conhecemos apenas 15% do universo, enquanto todo o resto permanece como um grande mistério. Mas, ao contrário da década de 30, agora cientistas do mundo inteiro não economizam energia em busca de formas de descobrir mais informações sobre a matéria escura, um componente tão misterioso quanto essencial do nosso universo.

Apesar de ainda não ter sido diretamente observada, ao longo dos anos foram surgindo diferentes indícios que comprovam sua existência, como a professora Ivone apresentou em sua fala: “Hoje existem várias outras observações completamente independentes das rotações de galáxias que indicam a existência de matéria escura, e o mais interessante é que elas indicam que a necessidade de matéria escura é a mesma quantidade que a determinada pela rotação de galáxias. Uma dessas medidas é o efeito chamado de lentes gravitacionais, previsto inicialmente por Einstein. Basicamente, ele indica que quando a luz se propaga pelo universo, a presença de matéria faz com que ocorra uma distorção no caminho dela. Ou seja, surgem trajetórias curvas devido a presença de matéria. O ângulo dessa curvatura depende da quantidade de matéria que ela atravessa, portanto, o ângulo de distorção nos permite determinar quanta matéria tem nessa galáxia. E, ao fazer essa medida, você chega na mesma conclusão que na rotação de galáxias. Mais uma vez a existência de matéria escura está confirmada”.

Fotografia retratando o efeito de lentes gravitacionais, notem como a trajetória da luz está curva

Outro efeito que a cientista demonstrou por meio de uma animação (que você pode ver abaixo) foi a colisão de dois aglomerados de galáxias. Quando dois aglomerados passam um pelo outro a matéria escura, por não interagir com a luz, também não interage com a matéria conhecida, fazendo com que ela passe reto pela colisão, enquanto a matéria “comum” se choca e interage mesclando-se. “A matéria escura, em azul, passa como se a outra galáxia não existisse e no meio, a matéria conhecida interage e se concentra. Se você medir onde está a maior parte da matéria depois dessa colisão, você vai ver que ela está na região azul, confirmando que a maior parte passa sem colidir, já que ela basicamente não interage em termos da luminosidade”, explicou.

E do que é composta a matéria escura? Essa é uma pergunta ainda sem resposta. “Nós já sabemos algo muito importante, nós sabemos que ela é composta por nada que conhecemos. Esses 15% de matéria conhecida, nós conhecemos muito bem e sabemos que ela não compõe a matéria escura”, destaca a cientista. Hoje diversos laboratórios no mundo buscam formas de tentar medir partículas que compõe a matéria escura para tentar encontrar uma definição. Ivone lembra que uma das grandes questões da física é conseguir determinar do que o universo é composto e, sermos capazes de, em algum momento, decifrar do que essa misteriosa matéria escura é composta seria um grande passo em busca de uma resolução para esse problema.

O Papos de Física é um evento mensal de divulgação científica, organizado pelo ICTP – SAIFR, que convida físicos para falarem, de forma descontraída, sobre novos avanços e outros temas que despertam nossa curiosidade. No próximo mês o evento fará parte da programação do Pint of Science Brasil, então acontecerá de uma forma um pouquinho diferente, serão três dias de debates com 2 palestrantes em cada dia.

• No dia 14 de maio, uma segunda-feira, teremos o professor Gastao Krein (IFT-UNESP) falando sobre “A flecha do tempo: por que envelhecemos e nunca rejuvenescemos?” e Alberto Saa (UNICAMP) com “O conceito de infinito na física e matemática”;
• Dia 15 de maio, terça-feira, os convidados são Oscar Eboli (IF-USP) que apresentará “Constituintes da matéria: elétrons, quarks, Higgs…” e Marcelo Yamashita (IFT-UNESP) para discutir “Ciência versus pseudociência”;
• Por último, no dia 16 de maio, quarta-feira, teremos Odylio Aguiar (INPE) com uma apresentação sobre “Ondas Gravitacionais: prêmio Nobel de Física de 2017” e Victor Rivelles (IF-USP) com “O que é a teoria de cordas?”.

O local continua sendo o de costume: Tubaína Bar (R. Haddock Lobo, 74 – Cerqueira César). Fique atento ao site do ICTP para mais informações!