Estamos inundados de neutrinos. Eles estão entre as mais leves das duas dúzias de partículas subatômicas conhecidas e vêm de todas as direções: do Big Bang que começou o universo, das estrelas explodindo e, acima de tudo, do sol. Eles vêm diretamente através da terra quase à velocidade da luz, o tempo todo, dia e noite, em números enormes. Cerca de 100 trilhões de neutrinos passam através de nossos corpos a cada segundo.
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O problema para os físicos é que os neutrinos são impossíveis de ver e difíceis de detectar. Qualquer instrumento projetado para isso pode parecer sólido ao toque, mas para neutrinos, até mesmo o aço inoxidável é na maior parte um espaço vazio, tão aberto quanto um sistema solar é para um cometa. Além disso, os neutrinos, ao contrário da maioria das partículas subatômicas, não têm carga elétrica - são neutros, daí o nome -, portanto os cientistas não podem usar forças elétricas ou magnéticas para capturá-los. Os físicos os chamam de "partículas fantasmas".
Para capturar essas entidades ilusórias, os físicos realizaram alguns experimentos extraordinariamente ambiciosos. Para que os neutrinos não sejam confundidos com os raios cósmicos (partículas subatômicas do espaço exterior que não penetram na terra), os detectores são instalados no subsolo. Enormes foram colocadas em minas de ouro e níquel, em túneis sob montanhas, no oceano e no gelo antártico. Esses dispositivos estranhamente bonitos são monumentos para a determinação da humanidade de aprender sobre o universo.
Não está claro quais aplicações práticas virão do estudo de neutrinos. "Não sabemos para onde isso vai levar", diz Boris Kayser, físico teórico do Fermilab em Batavia, Illinois.
Os físicos estudam os neutrinos em parte porque os neutrinos são personagens tão estranhos: eles parecem quebrar as regras que descrevem a natureza em sua forma mais fundamental. E se os físicos estão sempre cumprindo suas esperanças de desenvolver uma teoria coerente da realidade que explique os fundamentos da natureza sem exceção, eles terão que explicar o comportamento dos neutrinos.
Além disso, os neutrinos intrigam os cientistas porque as partículas são mensageiras dos confins do universo, criadas pela explosão violenta de galáxias e outros fenômenos misteriosos. “Os neutrinos podem nos dizer coisas que as partículas mais monótonas não conseguem”, diz Kayser.
Os físicos imaginavam neutrinos muito antes de encontrarem algum. Em 1930, eles criaram o conceito para equilibrar uma equação que não estava somando. Quando o núcleo de um átomo radioativo se desintegra, a energia das partículas que ele emite deve ser igual à energia originalmente contida. Mas, de fato, observaram os cientistas, o núcleo estava perdendo mais energia do que os detectores estavam captando. Então, para dar conta dessa energia extra, o físico Wolfgang Pauli concebeu uma partícula extra invisível emitida pelo núcleo. "Eu fiz algo muito ruim hoje, propondo uma partícula que não pode ser detectada", escreveu Pauli em seu diário. "É algo que nenhum teórico deveria fazer."
Experimentalistas começaram a procurar de qualquer maneira. Em um laboratório de armas nucleares na Carolina do Sul, em meados dos anos 50, eles colocaram dois grandes tanques de água do lado de fora de um reator nuclear que, de acordo com suas equações, deveriam produzir dez trilhões de neutrinos por segundo. O detector era pequeno para os padrões de hoje, mas ainda conseguia detectar neutrinos - três por hora. Os cientistas haviam estabelecido que o neutrino proposto era de fato real; estudo da partícula indescritível acelerada.
Uma década depois, o campo aumentou quando outro grupo de físicos instalou um detector na mina de ouro Homestake, em Lead, Dakota do Sul, a 4.850 pés de profundidade. Neste experimento, os cientistas começaram a observar os neutrinos monitorando o que acontece nas raras ocasiões em que um neutrino colide com um átomo de cloro e cria argônio radioativo, que é prontamente detectável. No centro do experimento havia um tanque cheio de 600 toneladas de um líquido rico em cloro, o percloroetileno, um fluido usado na limpeza a seco. A cada poucos meses, os cientistas descarregavam o tanque e extraíam cerca de 15 átomos de argônio, evidência de 15 neutrinos. O monitoramento continuou por mais de 30 anos.
Na esperança de detectar neutrinos em maior número, cientistas no Japão lideraram um experimento a 3.300 metros de profundidade em uma mina de zinco. Super-Kamiokande, ou Super-K, como é conhecido, começou a operar em 1996. O detector consiste em 50.000 toneladas de água em um tanque abobadado cujas paredes são cobertas com 13.000 sensores de luz. Os sensores detectam o ocasional clarão azul (muito fraco para os nossos olhos) quando um neutrino colide com um átomo na água e cria um elétron. E rastreando o caminho exato que o elétron percorreu na água, os físicos poderiam inferir a fonte, no espaço, do neutrino colidindo. A maioria, eles descobriram, veio do sol. As medidas eram suficientemente sensíveis para que o Super-K pudesse rastrear o caminho do sol através do céu e, a quase um quilômetro abaixo da superfície da Terra, o dia de vigília se transformava em noite. "É realmente emocionante", diz Janet Conrad, física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. As trilhas de partículas podem ser compiladas para criar “uma bela imagem, a imagem do sol em neutrinos”.
Mas os experimentos de Homestake e Super-K não detectaram tantos neutrinos quanto os físicos esperavam. Pesquisa no Observatório Sudbury Neutrino (SNO, pronunciado "neve") determinou o porquê. Instalado em uma mina de níquel com 6.800 pés de profundidade em Ontário, o SNO contém 1.100 toneladas de “água pesada”, que tem uma forma incomum de hidrogênio que reage relativamente facilmente com os neutrinos. O fluido está em um tanque suspenso dentro de uma enorme bola de acrílico que é mantida dentro de uma superestrutura geodésica, que absorve vibrações e na qual são pendurados 9.456 sensores de luz - a coisa toda parecendo um enfeite de árvore de Natal de 30 pés de altura.
Os cientistas que trabalham na SNO descobriram em 2001 que um neutrino pode alternar espontaneamente entre três identidades diferentes - ou, como dizem os físicos, ele oscila entre três sabores. A descoberta teve implicações surpreendentes. Por um lado, mostrou que os experimentos anteriores tinham detectado muito menos neutrinos do que o previsto, porque os instrumentos estavam sintonizados em apenas um sabor de neutrino - o tipo que cria um elétron - e estavam faltando aqueles que mudaram. Por outro lado, a descoberta derrubou a crença dos físicos de que um neutrino, como um fóton, não tem massa. (Oscilando entre os sabores é algo que apenas partículas com massa são capazes de fazer.)
Quanta massa tem os neutrinos? Para descobrir, os físicos estão construindo o KATRIN - o Experimento Neutrino de Trítio de Karlsruhe. O final de negócios da KATRIN possui um dispositivo de 200 toneladas chamado espectrômetro que medirá a massa de átomos antes e depois de decaírem radioativamente - revelando a quantidade de massa que o neutrino carrega. Os técnicos construíram o espectrômetro a cerca de 400 quilômetros de Karlsruhe, na Alemanha, onde o experimento funcionará; o dispositivo era grande demais para as estradas estreitas da região, por isso foi colocado em um barco no rio Danúbio e passou por Viena, Budapeste e Belgrado, pelo Mar Negro, pelo mar Egeu e pelo Mediterrâneo, pela Espanha, pelo Canal da Mancha., para Roterdã e para o Reno, depois para o sul até o porto fluvial de Leopoldshafen, Alemanha. Lá foi descarregado em um caminhão e guinchou pela cidade até o seu destino, dois meses e 5.600 quilômetros depois. Está programado para começar a coletar dados em 2012.
Físicos e astrônomos interessados na informação de que neutrinos do espaço sideral poderiam carregar sobre supernovas ou galáxias colidindo montaram “telescópios” de neutrinos. Um deles, chamado IceCube, está dentro de um campo de gelo na Antártida. Quando concluída, em 2011, ela consistirá em mais de 5.000 sensores de luz azul (veja o diagrama acima). Os sensores são voltados não para o céu, como seria de esperar, mas em direção ao solo, para detectar neutrinos do sol e do espaço exterior que estão vindo do norte pelo planeta. A terra bloqueia os raios cósmicos, mas a maioria dos neutrinos percorre o planeta com 8.000 milhas de largura como se não estivesse lá.
Um experimento de neutrinos a longa distância está sendo realizado em vários estados do Meio-Oeste. Um acelerador de alta energia, que gera partículas subatômicas, dispara feixes de neutrinos e partículas relacionadas a até seis milhas de profundidade, abaixo do norte de Illinois, através de Wisconsin e em Minnesota. As partículas começam no Fermilab, como parte de um experimento chamado de Busca de Oscilação do Neutrino do Injetor Principal (MINOS). Em menos de três milésimos de segundo, eles atingiram um detector na mina de ferro de Soudan, a 450 milhas de distância. Os dados que os cientistas reuniram complicam sua imagem desse mundo infinitesimal: agora parece que formas exóticas de neutrinos, os chamados antineutrinos, podem não seguir as mesmas regras de oscilação que outros neutrinos.
"O que é legal", diz Conrad, "é que não é o que esperávamos".
Quando se trata de neutrinos, muito pouco é.
O último livro de Ann Finkbeiner, A Grand and Bold Thing, é sobre o Sloan Digital Sky Survey, um esforço para mapear o universo.
A maioria dos neutrinos que nos bombardeiam vem do sol, mostrada aqui em uma imagem ultravioleta. (NASA) 
O cavernoso detector Super-Kamiokande, no Japão, é revestido com 13 mil sensores para identificar sinais de neutrinos. Trabalhadores em um barco monitoram o dispositivo enquanto ele se enche de água. (Observatório de Kamioka, ICRR (Instituto de Pesquisa de Raios Cósmicos), Universidade de Tóquio) 
Em uma série de reações no núcleo do sol, os átomos de hidrogênio criam hélio por meio da fusão. O processo libera energia e partículas subatômicas, incluindo neutrinos. Quando um fóton, ou partícula de luz, deixa o núcleo denso do sol, ele fica preso no calor e na fúria e pode não nos alcançar por milhões de anos. Mas um neutrino solar não é impedido e atinge a terra em oito minutos. (Samuel Velasco / 5W Infographics) 
O Observatório de Neutrinos de Sudbury, no Canadá, confirmou que um neutrino pode mudar sua identidade. (SNO) 
Físicos do Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York, mostrado aqui no detector STAR do laboratório, esperam lançar um raio de neutrinos subterrâneo na mina de Homestake, em Dakota do Sul. (BNL) 
O detector de neutrinos MINOS em Minnesota é o alvo de raios de neutrinos disparados de Illinois. (Serviços de mídia visual do Fermilab) 
O espectrômetro KATRIN, que medirá a massa do neutrino, passou por Leopoldshafen, na Alemanha, a caminho de um laboratório. (Instituto de Tecnologia de Karlsruhe) 
O detector de neutrinos IceCube na Antártida está embutido no gelo. Com 5.000 sensores acoplados a mais de 70 linhas, o IceCube irá procurar por neutrinos que passaram por 8.000 milhas pelo planeta. (Universidade de Wisconsin-Madison) 
Uma série de sensores desce em um buraco de 8.000 pés de profundidade. (Jim Haugen / National Science Foundation)
