Pesquisadores Decifram Mistério da Posição dos Neutrinos com Novo Experimento Quântico

Cientistas estabeleceram um novo limite para uma característica quântica responsável pela estranheza desses minúsculas partículas: a incerteza. Os neutrinos são conhecidos por seu comportamento peculiar. Essas partículas leves mudam de um tipo de neutrino para outro à medida que se deslocam, um fenômeno estranho chamado oscilação de neutrino. Essa habilidade depende da incerteza quântica, uma espécie de imprecisão intrínseca às propriedades dos objetos quânticos, como sua localização ou momento. Apesar da importância da incerteza quântica, a incerteza na posição do neutrino nunca havia sido medida diretamente.

“As ‘propriedades quânticas do neutrino’ são um pouco como o ‘Velho Oeste’ no momento”, diz o físico nuclear Kyle Leach, da Escola de Minas do Colorado, em Golden. “Ainda estamos tentando decifrá-las.” É impossível saber tudo sobre uma partícula quântica. O famoso princípio da incerteza de Heisenberg afirma que é inútil tentar determinar com precisão tanto o momento quanto a posição de um objeto quântico. Agora, Leach e seus colegas relatam novos detalhes sobre o tamanho do pacote de ondas do neutrino, o que indica a incerteza na posição da partícula.

As partículas quânticas se propagam como ondas, com ondulações relacionadas à probabilidade de encontrar uma partícula em um determinado local. Um pacote de ondas é o conjunto de ondulações correspondente a uma única partícula. O novo experimento estabelece um limite para o tamanho do pacote de ondas de neutrinos produzidos em um tipo específico de decaimento radioativo, relata a equipe em um artigo submetido em 3 de abril ao arXiv.org. As partículas possuem um pacote de ondas com tamanho mínimo de pelo menos 6,2 trilionésimos de metro.

Os pesquisadores estudaram neutrinos produzidos no decaimento do berílio-7, por meio de um processo chamado captura de elétrons. Nesse processo, um núcleo de berílio-7 absorve um elétron, e o átomo se transforma em lítio-7 e emite um neutrino. A equipe implantou átomos de berílio-7 em um dispositivo altamente sensível feito de cinco camadas de material, incluindo tântalo supercondutor, que pode transmitir eletricidade sem resistência. No decaimento, o lítio-7 recém-produzido recua para longe do neutrino. Resfriado a 0,1 grau acima do zero absoluto (–273,05° Celsius), o dispositivo permitiu que os pesquisadores detectassem a energia desse recuo.

A disseminação da energia dos átomos de lítio revelou o tamanho mínimo do pacote de ondas do neutrino. Os neutrinos são especiais porque interagem tão raramente com a matéria que mantêm suas propriedades quânticas por longas distâncias. A maioria dos efeitos quânticos ocorre em escalas muito pequenas, mas as oscilações de neutrinos ocorrem ao longo de milhares de quilômetros. Portanto, estudar o tamanho dos pacotes de ondas dos neutrinos poderia ajudar a desvendar a conexão entre o mundo cotidiano da física clássica e a estranheza da física quântica, diz Benjamin Jones, físico de neutrinos da Universidade do Texas em Arlington, que não participou do experimento.

“Se você puder prever algo assim e depois medi-lo, então você realmente valida algumas das ideias que as pessoas têm sobre como o mundo clássico emerge de uma realidade quântica subjacente”, diz ele. “E foi isso que realmente me empolgou com isso em primeiro lugar.” Em outro estudo, submetido em 30 de abril ao arXiv.org, Jones e seus colegas previram teoricamente o tamanho do pacote de ondas do neutrino, estimando-o em cerca de 2,7 bilhões de metros. Agora, cabe aos físicos experimentais tentar medi-lo, não apenas determinar seu tamanho mínimo. Medir o tamanho dos pacotes de ondas dos neutrinos pode ajudar a resolver discrepâncias entre experimentos anteriores e, potencialmente, apontar o caminho para novos tipos de partículas subatômicas ainda a serem descobertas.

Mas o tamanho do pacote de ondas do neutrino depende de como a partícula é produzida. Portanto, não está claro como o limite de tamanho observado no estudo de Leach pode se traduzir para neutrinos produzidos por outros meios, diz o físico de neutrinos Carlos Argüelles, da Universidade de Harvard. Por exemplo, muitos experimentos observam neutrinos de reatores nucleares, mas esses são produzidos por um tipo diferente de decaimento radioativo. Ainda assim, diz Argüelles, “o estudo do pacote de ondas do neutrino tem implicações fundamentais na natureza quântica do neutrino, e a natureza quântica do neutrino é na verdade o que os torna interessantes. É a propriedade mais peculiar que eles possuem.”