Ciência subterrânea Understand article

Traduzido por Pedro Augusto. Os cientistas estão à procura fundo, debaixo da terra, por partículas que percorrem o Universo mas são muito difíceis de detetar.

Uma ilustração de artista da
Supernova 1987A

A imagem é cortesia da UCL
Mathematical and Physical
Sciences; fonte: Flickr

Imagine que está numa rua barulhenta e cheia de gente no coração de uma cidade grande. Um pássaro, pousado bem alto, canta – mas será possível ouvi-lo? Possivelmente não:  seria difícil distinguir o canto da ave entre todos os outros sons em torno de si – carros, máquinas, vozes de pessoas, etc. Os cientistas têm um problema semelhante quando tentam detetar partículas vindas do espaço que chegam à Terra: os fracos sinais destas ‘astropartículas’ são completamente obliterados por sinais mais fortes vindos de outras fontes, tais como a radioatividade ambiente.

Pode-se pensar que uma boa forma de ultrapassar este problema seria colocar os detetores de astropartículas a elevadas altitudes mas, de facto, o oposto pode ser também muito eficiente: o melhor local para a deteção de algumas das astropartículas é, de facto, nas profundezas da Terra. Isto acontece devido às dezenas de metros de rocha por cima ajudarem a cortar o ‘ruído’ indesejável na superfície.

Mas porque estão os cientistas realmente interessados em astropartículas? Estas partículas elementares de origem astronómica são produzidas em estrelas (tais como o Sol), em explosões em supernova e em fenómenos mais exóticos tais como as explosões em raios gama. Frequentemente designadas de ‘mensageiros do Universo’, as astropartículas dão-nos informação acerca de eventos muito longínquos no tempo e no espaço – incluindo sobre o próprio Big Bang.

Trabalho subterrâneo

Há cerca de dez laboratórios subterrâneos em todo o mundo, sendo todos primariamente dedicados à caça de astropartículas (Bettini, 2012). Trabalhar neste tipo de instalações pode ser difícil. Para aceder a laboratórios localizados em minas, é necessária uma viagem numa jaula-elevador, com as idas e vindas a serem incluídas no tempo de turnos dos ‘mineiros’; o trabalho deve, assim, ser programado cuidadosamente. Nas áreas ‘limpas’, a humidade e a temperatura são rigorosamente controladas e, por isso, os trabalhadores têm de tomar um chuveiro e mudar as suas roupas antes de entrarem. E, claro, não existem janelas para deixar entrar o brilho do Sol.
 

Laboratórios subterrâneo no mundo

Este mapa mostra a localização de algumas das mais relevantes instalações subterrâneas por todo o mundo. Existem, ainda, instalações semelhantes na Finlândia, no Japão, na Rússia, na Ucrânia e nos EUA; há planos para construir novas na Austrália, na Índia e na América do Sul.

  • Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), o maior laboratório subterrâneo do mundo, localizado num túnel de autoestrada a 120km de Roma, Itália.
  • Três outros laboratórios subterrâneos de dimensões intermédias estão ativos na Europa desde os anos 80: Boulby Laboratory, na costa nordeste da Inglaterra; Modane Laboratory, nos Alpes franceses; Canfranc Laboratory, debaixo dos Pirinéus espanhóis.
  • A Sandford Underground Research Facility foi construída numa antiga mina de ouro no Dacota do Sul, EUA. Este pioneiro laboratório subterrâneo foi onde se realizaram os primeiros estudos de neutrinos solares nos anos 60 (Rosen, 2006).
  • SNOlab (Sudbury Neutrino Observatory), perto de Sudbury, no Ontário, Canadá, está localizado numa mina de níquel ativa. O laboratório é um dos mais profundos do mundo, a 2100m abaixo da superfície.
  • JinPing Laboratory, localizado dentro dos túneis de uma empresa de energia hidroelétrica na província de Sichuan, China. Os seus 2400m debaixo da montanha JinPing tornam-no no recordista mundial em profundidade.
  • Kamioka Laboratory, em Kamioka-cho, Gifu, Japão, detém o maior detetor de neutrinos subterrâneo. Experiências com neutrinos revolucionárias têm sido conduzidas neste laboratório ao longo das últimas duas décadas.
     

    A imagem é cortesia de Susana Cebrián

À caça de partículas difíceis

Muitos laboratórios subterrâneos focam-se presentemente na procura dos materiais de mais difícil deteção: neutrinos e matéria escura. Apesar de serem ambos abundantes no Universo, interagem de uma forma tão fraca com a matéria ‘normal’ que são de impossível deteção na superfície da Terra e muito raramente debaixo desta.

Os neutrinos: partículas muito importantes

Os neutrinos são a segunda mais abundante partícula no Universo, logo a seguir aos fotões (partículas de luz). Todo o centímetro quadrado da superfície da Terra é atingido por 1011 neutrinos a cada segundo, a maioria chegando do Sol.

Um total de 9522 sensores
ultrasensíveis à luz estão
acoplados na esfera do
detetor de neutrinos SNOlab.

A imagem é cortesia do
Lawrence Berkeley Nat’l Lab –
Roy Kaltschmidt; fonte da
imagem: Flickr

Os neutrinos são produzidos em estrelas e dentro de reatores nucleares; também se encontram nos raios cósmicos. Por vezes chamados de ‘partículas-fantasma’, só muito raramente interagem com a matéria pois usualmente passam através dela a direito – assim, apesar dos seus vastos números, a deteção de neutrinos é extremamente difícil. Por exemplo, apenas umas poucas deteções de neutrinos por mês são esperadas, mesmo utilizando detetores enormes. Os neutrinos são, potencialmente, mensageiros muito importantes, contudo, pois podem viajar sem obstáculos através do Universo, por locais de onde as outras partículas não conseguem escapar – tais como buracos negros, que até a luz aprisionam. Enquanto o fazem, podem trazer com eles informação valiosa.

Em 1987 alguns observatórios subterrâneos ficaram maravilhados com o registo de vários neutrinos em apenas alguns segundos: tinham testemunhado o sinal de neutrinos da supernova 1987A, na Grande Núvem de Magalhães (Nakahata, 2007). Uma vez que se pensa que 99% da energia libertada numa supernova  é radiada na forma de neutrinos, a sua deteção fornece muita informação sobre o que de facto acontece quando uma estrela colapsa. Neutrinos produzidos pelo decaimento radioativo beta dentro da Terra também têm sido detetados: estes geoneutrinos podem tornar-se uma ferramenta de valor incalculável para a Geofísica (Bellini et al., 2011), uma vez que fornecem informação sobre o tamanho e a localização de fontes radioativas no interior da Terra, onde o acesso é completamente impossível.

Os neutrinos vindos do Sol confundiram os cientistas durante várias décadas. O número total de neutrinos detetado era muito inferior ao que os cientistas esperavam que o Sol produzisse, baseando-se em cálculos detalhados de processos de fusão nuclear. O problema foi resolvido em 2001, quando se descobriu que os neutrinos, que existem em três tipos designados de ‘sabores’, podem mudar de um tipo para outro num processo chamado de ‘oscilação de neutrino’ (Jelley & Poon, 2007). Isto é como atirar uma maçã a alguém – que a apanha como uma laranja ou uma pera. O mistério teve origem no facto das primeiras experiências apenas medirem um tipo de neutrino (as ‘maçãs’) – a forma em que os neutrinos solares são produzidos: quaisquer neutrinos que migrassem para outro tipo não eram detetados.

Este efeito também foi observado em neutrinos de outras fontes, tais como raios cósmicos, reatores nucleares e instalações de investigação. Em 2015 o Prémio Nobel da Física w1 foi atribuído a Takaaki Kajita e Arthur McDonald pelo seu trabalho em oscilações de neutrino no Kamioka laboratory (Japão) e no SNOlab (Canadá).

A oscilação de neutrino é importante por outra razão: confirma que os neutrinos têm massa. Isto acontece pois, como nos diz a mecânica quântica, tais oscilações podem apenas acontecer se as partículas tiverem uma massa não-nula. A observação deste fenómeno nos neutrinos foi a primeira prova de uma falha no bem sucedido ‘modelo standard’ de Física de Partículas.

O mistério da matéria escura

Apesar das fantásticas conquistas da Cosmologia, Astrofísica e Física de Partículas dos últimos anos, a composição da maior parte do Universo ainda é um mistério. Pensa-se que um quarto do Universo é feito de ‘matéria escura’ – assim chamada pois nem emite nem absorve radiação eletromagnética (incluindo a luz, ondas rádio e raios X). Por esta razão, a matéria escura ainda não foi detetada, apesar da imensa quantidade que se pensa existir. Pensa-se que as interações da matéria escura são extremamente raras: apenas uns poucos eventos por ano num enorme detetor subterrâneo. Já houve algumas indicações positivas, como as observadas pela experiência DAMA / LIBRA no laboratório Gran Sasso – mas sem deteção direta até agora; os esforços continuam (Reich, 2013; Livio & Silk, 2014).

O Hall C do laboratório Gran Sasso, na Itália, com a experiência OPERA (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus) instalada.
A imagem é cortesia de Francesco Arneodo

A ciência no domínio subterrâneo

A astrofísica de partículas é o foco principal dos laboratórios subterrâneos mas as suas características únicas significam que são cada vez mais utilizados também em outras áreas da ciência. Os biólogos usam-nos para investigar como sobrevivem os microorganismos nas condições extremas das profundezas subterrâneas e medições de precisão a longo prazo são agora feitas para a sismologia, hidrologia e geodinâmica. Mesmo as tecnologias espaciais desenvolvidas para a exploração de Marte estão a ser testadas debaixo de terra, no Boulby Laboratory (UK), explorando as semelhanças entre os ambientes debaixo da superfície de Marte e as profundas cavernas de sal-gema da mina  Boulby. Assim, enquanto o silêncio cósmico encontrado em profundezas subterrâneas está a melhorar o nosso conhecimento  de longínquas regiões do Universo – a sua origem, composição e destino final – estes laboratórios especiais também nos permitem estudar, de perto, outros mundos profundamente debaixo dos nossos pés.

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Author(s)

Susana Cebrián é professora na Universidade de Zaragoza, Espanha, trabalhando em várias experiências na área da Física das Astropartículas no Spanish Canfranc Underground Laboratory.


Review

Este artigo é de leitura obrigatória pois explora as propriedades de neutrinos e a valiosa informação que os cientistas obtêm estudando estas partículas de locais bem dentro da Terra. O artigo realça o facto de ainda haver imenso para ser descoberto na Física de Partículas.

Este artigo pode ser usado como um exercício de compreensão acerca das propriedades do próprio neutrino e ainda sobre o que o estudo de neutrinos nos pode revelar do Universo. Pode também ser usado como um artigo introdutório para despertar a curiosidade de educadores e estudantes e levar a mais investigação sobre o tema.

Questões sobre o tópico poderiam incluir:

  • Que informação existe acerca das propriedades dos neutrinos?
  • Porque são investigados os neutrinos em laboratórios subterrâneos?
  • Onde e como se produzem neutrinos?
  • Quais são os três tipos de neutrinos e o que é interessante sobre eles?

Catherine Cutajar, St Martin’s College, Malta




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