Físico português explica Nobel da Física: as “partículas-fantasma” que permitem observar o lado invisível do Universo
Quase sem massa e sem carga elétrica, os neutrinos atravessam a matéria praticamente sem deixar rasto. Francis Halzen percebeu que o gelo da Antártida podia ser usado para os detetar, criando uma nova forma de observar os fenómenos mais violentos do Universo.
A atribuição do Prémio Nobel da Física de 2026 a Francis Halzen coloca os neutrinos no centro da investigação sobre alguns dos fenómenos mais extremos do Universo. Para José Maneira, professor do Departamento de Física da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa e investigador do Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP), o reconhecimento distingue décadas de trabalho que abriram uma nova forma de observar o cosmos.
“É um justíssimo reconhecimento de um empenho de décadas que se provou ter dado de facto frutos”, afirma José Maneira ao 24notícias, que acompanha há mais de duas décadas a investigação na área dos neutrinos e participou em experiências internacionais como SNO e SNO+ e DUNE.
Para o investigador, a importância da descoberta vai muito além da deteção de uma nova classe de partículas provenientes do espaço. “A observação de neutrinos de origem astrofísica é uma nova janela sobre o Universo”, explica, acrescentando que estas partículas permitem observar “fenómenos extremos, de muito alta energia” que estão ligados a alguns dos ambientes mais violentos do cosmos.
Uma nova forma de observar o Universo
Os neutrinos de alta energia são produzidos em processos físicos diferentes daqueles que dão origem à luz visível. A sua presença pode, por isso, revelar mecanismos que permanecem inacessíveis através da observação convencional do céu.
“É preciso que haja aceleração de partículas carregadas como protões ou núcleos, que depois irão colidir com o meio interestelar”, diz José Maneira, salientando que “os neutrinos são subprodutos dessas colisões e, portanto, a sua observação indica-nos que tem de haver mecanismos capazes de produzir acelerações muito elevadas.”
A escala dessas energias é particularmente relevante. De acordo com o investigador, os processos responsáveis pela produção destes neutrinos atingem níveis “várias ordens de grandeza acima dos aceleradores mais potentes da Terra”.
É precisamente essa característica que torna os neutrinos uma ferramenta científica única. “Apenas com luz visível não podemos aceder a isso”, sublinha.
A astronomia de neutrinos permite, assim, complementar aquilo que é observado através dos telescópios convencionais. Em vez de “depender apenas da radiação eletromagnética emitida por um objeto”, os cientistas podem “procurar partículas que foram produzidas diretamente nos processos físicos que pretendem estudar”.
Neutrinos dão pistas sobre os buracos negros
Um dos campos em que esta nova abordagem poderá ser particularmente importante é o estudo dos núcleos galácticos ativos, regiões extremamente energéticas no centro de algumas galáxias onde existem buracos negros supermassivos.
Há décadas que os cientistas procuram compreender como estes objetos atraem matéria e como esse processo pode produzir jatos de partículas com energias extraordinariamente elevadas. Observações em diferentes comprimentos de onda já tinham fornecido fortes indícios sobre o funcionamento destes sistemas.
Mas os neutrinos podem oferecer algo mais. “Podem fazer a diferença entre ter indicações indiretas ou provas sobre o funcionamento desses fenómenos extremos”, afirma José Maneira.
O investigador explica que as observações feitas no visível, em raios X ou em raios gama apontavam para determinados mecanismos associados aos buracos negros. “A observação de neutrinos de muito mais alta energia acaba por ser uma prova muito mais direta do fenómeno, até pela escala de energias envolvida”, acrescenta.
Esta é uma das principais razões pelas quais a astronomia de neutrinos representa uma mudança na forma de estudar o Universo: as partículas podem transportar informação diretamente dos processos que lhes deram origem.
As “partículas fantasma” ainda escondem segredos
Apesar dos avanços registados nas últimas décadas, os neutrinos continuam a colocar questões fundamentais à Física de Partículas.
Durante muito tempo, o Modelo Padrão assumiu que os neutrinos tinham massa nula. Hoje sabe-se que isso não corresponde à realidade. “Hoje sabemos que isso não é verdade, têm uma massa pequena mas não é zero”, salienta José Maneira.
Também se sabe que existem três famílias de neutrinos e que estas partículas podem transformar-se umas nas outras. Esse fenómeno, conhecido como oscilação dos neutrinos, demonstrou que existe uma diferença entre os três tipos e esteve na base do Prémio Nobel da Física de 2015.
Mas permanecem duas grandes incógnitas. “Falta saber se os neutrinos e as suas antipartículas, os antineutrinos, se comportam exatamente da mesma maneira ou não, e também o valor absoluto da massa”, afirma o investigador.
As respostas podem ter consequências que ultrapassam a Física de Partículas e ajudam a explicar a própria evolução do Universo.
“Ambas as questões são muito relevantes para a Astrofísica e a Cosmologia”, sublinha.
O mistério da matéria e da antimatéria
Uma das perguntas mais profundas está relacionada com a enorme diferença entre a quantidade de matéria e de antimatéria existente no Universo.
A Física prevê que matéria e antimatéria deveriam ter sido produzidas em condições semelhantes no Universo primordial. No entanto, o Universo atual é dominado pela matéria. Perceber se os neutrinos e os antineutrinos apresentam comportamentos diferentes poderá ajudar a explicar como surgiu esse desequilíbrio.
“Será que os neutrinos e antineutrinos têm as mesmas propriedades?”, questiona José Maneira.
Para o investigador, a resposta pode ser fundamental: “A resposta a esta pergunta pode estar relacionada com a origem da grande diferença que existe hoje no Universo entre o número de partículas, muito grande, e antipartículas, muito pequeno.”.
A outra grande questão continua a ser a massa dos neutrinos. As experiências de oscilação permitiram determinar diferenças entre as massas dos três tipos, mas não o seu valor absoluto.
“Com a descoberta das oscilações de neutrinos, sabemos quais as diferenças de massa entre os três tipos, mas não o valor absoluto”, refere.
Portugal também está na investigação de neutrinos
O Nobel atribuído a Francis Halzen surge também num momento em que Portugal mantém uma comunidade científica ativa na área dos neutrinos.
“Portugal tem uma comunidade científica ativa envolvida na investigação de neutrinos desde há cerca de 20 anos”, afirma José Maneira.
Os investigadores portugueses não participam no IceCube, mas estão envolvidos nas experiências SNO+ e DUNE e participaram anteriormente na experiência SNO, que teve um papel importante na investigação das propriedades dos neutrinos.
O percurso da experiência SNO está, aliás, ligado ao Nobel da Física de 2015. Art McDonald, líder científico do projeto, recebeu nesse ano o prémio juntamente com Takaaki Kajita pelo trabalho que demonstrou as oscilações dos neutrinos e, consequentemente, que estas partículas têm massa.
“A participação portuguesa é pequena mas relevante”, considera José Maneira.
Os investigadores nacionais participam tanto na construção dos detetores como na análise dos dados e assumem também responsabilidades na coordenação dos projetos.
Esta participação permite a Portugal integrar algumas das experiências mais avançadas da Física contemporânea. “A ciência de topo é cada vez mais feita de forma colaborativa global”, afirma o investigador.
“E para estarmos nesse ‘campeonato’, temos de participar nas colaborações”, acrescenta.
Além da investigação produzida, estas experiências têm uma dimensão importante na formação científica. “Isso permite aos nossos estudantes o contacto com meios científicos altamente estimulantes, e põe Portugal no mapa da Física atual”, sublinha.
DUNE prepara próxima geração de experiências
O Nobel não encerra uma etapa da investigação. Pelo contrário, os próximos anos deverão ser marcados por experiências capazes de observar fenómenos ainda mais raros e medir as propriedades dos neutrinos com uma precisão muito superior.
“Do ponto de vista tecnológico, o desafio é a observação de eventos cada vez mais raros”, explica José Maneira.
Isso exige fontes de partículas mais intensas, grandes quantidades de material radioativo para estudar determinados decaimentos e detetores maiores e mais sofisticados.
Entre os projetos mais importantes está o DUNE, que utiliza grandes detetores criogénicos baseados em árgon líquido. A tecnologia permitirá observar as interações dos neutrinos com um nível de detalhe muito superior.
“São detetores cada vez maiores e com melhores capacidades de ‘fotografar’ as interações”, explica o investigador.
O projeto está associado ao novo acelerador LBNF, em construção nos Estados Unidos, que permitirá produzir feixes intensos de neutrinos para estudar o comportamento destas partículas.
A combinação entre aceleradores mais potentes, detetores mais sensíveis e grandes colaborações internacionais deverá permitir testar algumas das hipóteses mais fundamentais da Física.
O objetivo final é responder a perguntas que vão muito além dos próprios neutrinos: perceber por que razão existe matéria em vez de antimatéria, determinar a massa destas partículas e compreender melhor os processos responsáveis pelos fenómenos mais energéticos do Universo.
O reconhecimento de Francis Halzen coloca, assim, a física de neutrinos no centro de uma transformação na forma como o cosmos é observado. Se a luz permitiu durante séculos estudar o Universo através da radiação que chega aos telescópios, os neutrinos oferecem agora uma nova via para chegar diretamente a alguns dos seus acontecimentos mais violentos e misteriosos.
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