Pesquisadores do experimento SNO+, instalado dois quilômetros abaixo da superfície em Sudbury, no Canadá, registraram pela primeira vez a conversão de átomos de carbono-13 em nitrogênio-13 provocada por neutrinos originados no interior do Sol. O resultado, obtido ao longo de 231 dias de observação, confirma previsões teóricas formuladas há décadas e acrescenta um novo tipo de alvo à ciência de detecção de neutrinos.
Durante o período analisado, o detector identificou 5,6 eventos compatíveis com o processo de captura de neutrinos pelo carbono-13, número estatisticamente coerente com os 4,7 eventos esperados pelos modelos. A pequena diferença entre observado e previsto encontra-se dentro da margem de erro usual nesse tipo de medição, reforçando a confiabilidade do conjunto de dados.
Neutrinos são partículas elementares eletricamente neutras que interagem muito pouco com a matéria. Produzidos em reações nucleares, como a fusão que alimenta o Sol, eles atravessam planetas, estrelas e organismos vivos praticamente sem sofrer deflexão. Trilhar esse percurso exige que detectores sejam extremamente sensíveis e, ao mesmo tempo, protegidos de outros tipos de radiação capazes de gerar sinais falsos.
Para reduzir o ruído de fundo, o SNO+ encontra-se instalado no Laboratório SnoLab, localizado em uma mina ativa e coberto por dois quilômetros de rocha. Essa barreira natural bloqueia a maior parte dos raios cósmicos que alcançam a superfície terrestre. Dentro da caverna, um recipiente esférico repleto de líquido cintilador registra pequenos clarões de luz produzidos quando partículas interagem com os núcleos alvo presentes no detector.
O fenômeno observado envolve um neutrino de alta energia colidindo com um núcleo de carbono-13. A colisão fornece energia suficiente para que o átomo se transforme em nitrogênio-13 radioativo. Cerca de dez minutos depois, o nitrogênio-13 decai, emitindo radiação detectável. Esse comportamento em duas etapas possibilitou o uso de um método conhecido como “coincidência retardada”: primeiro, registra-se o clarão inicial gerado pela colisão; em seguida, procura-se, no mesmo volume do detector, o sinal característico do decaimento radioativo que ocorre alguns minutos depois. A combinação dos dois momentos fornece uma assinatura clara do processo e permite distinguir eventos reais de neutrinos do fundo estatístico.
Embora o carbono seja um elemento comum, o isótopo carbono-13 representa apenas cerca de 1% do carbono natural, o que torna a probabilidade de interação ainda menor. A equipe compensou essa raridade com o grande volume de líquido cintilador e um sistema de aquisição de dados capaz de registrar sinais extremamente fracos. Na prática, trilhões de neutrinos solares atravessam o detector a cada segundo, mas apenas as poucas dezenas de interações candidatas exigem análise detalhada.
O SNO+ é uma evolução do experimento SNO, que operou no mesmo local até meados da década passada. Em 2001, o SNO demonstrou que neutrinos solares alternam entre três sabores — elétron, múon e tau — ao viajar do Sol até a Terra, resultado que gerou o Prêmio Nobel de Física de 2015. A nova fase do projeto mantém a investigação de oscilações, porém adiciona a capacidade de estudar processos nucleares raros, como a conversão carbono-13/nitrogênio-13 agora comprovada.
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Os 5,6 eventos observados ampliam o repertório de reações conhecidas entre neutrinos e núcleos atômicos. Até então, apenas poucos alvos — como cloro, germânio e deutério — haviam sido confirmados na literatura científica. Ao incluir o carbono-13, os pesquisadores demonstram que neutrinos solares podem funcionar como um “feixe natural” útil para testar hipóteses da física nuclear de baixa energia em condições que não podem ser reproduzidas em aceleradores de partículas.
A confirmação experimental também valida cálculos sobre seções de choque, energia dos neutrinos e propriedades do nitrogênio-13. Esses parâmetros são relevantes para modelos de evolução estelar e para futuras experiências que buscam elucidar a hierarquia de massas dos neutrinos ou a existência de fenômenos além do Modelo Padrão.
O grupo internacional envolvido no SNO+ pretende estender a coleta de dados em períodos mais longos e aprimorar os algoritmos de análise, com objetivo de reduzir a incerteza estatística e investigar outras reações raras previstas pela teoria. A continuidade do projeto pode fornecer informações adicionais sobre o fluxo de neutrinos solares e sobre processos nucleares pouco acessíveis em laboratórios de superfície.
Com a detecção da conversão de carbono-13 em nitrogênio-13, a colaboração reforça o papel dos grandes observatórios subterrâneos na exploração de fenômenos subatômicos e estabelece mais um marco na compreensão das interações entre matéria e partículas quase intangíveis que permeiam o Universo.