Apesar de ser a segunda partícula mais abundante no Universo, o neutrino que foi descoberto pelos telescópios da KM3NeT é tudo menos comum. Tem uma energia 10 mil vezes superior à partícula mais energética que os humanos conseguem criar na Terra, é 22 vezes mais energética que a partícula que até aqui liderava essa lista, mas os especialistas continuam sem perceber se foi fruto de um evento isolado, ou de um fenómeno que poderá abrir a porta a uma série de novas descobertas sobre as origens do Universo.

Passou há exatamente dois anos pelos detetores de um grupo de 250 investigadores, maioritariamente europeus, que conduzem as operações de acompanhamento destas “partículas fantasma”. João Coelho, especialista em neutrinos terrestres na empresa responsável pela descoberta, explica ao Observador que, apesar da “grande surpresa”, a equipa sente-se encorajada para continuar a investigar. “Ficámos muito animados com a realidade de existirem estes neutrinos de muito altas energias”, diz o investigador, afirmando que o coletivo de cientistas internacionais continua a trabalhar para expandir as suas operações, aumentar o número de detetores no Mediterrâneo e melhorar as capacidades para aprofundar a investigação das teorias associadas a estas partículas.

Cientistas descobrem partícula “fantasma” com a maior energia de sempre. Pode mudar as teorias sobre o Universo

Mas as dúvidas têm-se instalado desde o anúncio desta quarta-feira: de que forma é que esta descoberta é útil? Que tipo de impacto pode ter na investigação sobre os vastos temas do Universo? A resposta não é simples, alerta João Coelho, que admite existir ainda uma grande incerteza sobre a possível interpretação dos resultados obtidos. A fonte desta energia é talvez o fator que desperta mais curiosidade aos investigadores. “É chegando à fonte que conseguimos passar a entender quais são os tipos de objetos astrofísicos que dão origem a este nível de energia, como funcionam e de que forma permitem a observação de fenómenos que não se conseguem gerar na Terra”, afirma João Coelho.

Dada a capacidade máxima de produção do Large Hadron Collider (LHC) — o maior acelerador de partículas do mundo, que produz partículas que são 10 mil vezes menos energéticas que o neutrino detetado em fevereiro de 2023 —, os especialistas dizem que a replicação deste fenómeno vai permitir “acessar a energias muito mais altas do que as que conseguimos gerar aqui na Terra” e que, por sua vez, dá acesso a “fenómenos de extremos” como a simulação de interações com buracos negros, por exemplo, de modo a “identificar relações entre mecânica quântica e a gravidade”, exemplifica o especialista.

Além dos termos teóricos, também é possível que esta descoberta se traduza em eventuais aplicações noutras áreas. Quais, ainda estamos longe de perceber. Ao Observador, o físico Carlos Fiolhais faz um paralelo com a introdução de lasers no dia-a-dia de milhares de milhões de pessoas: antes desse passo, era uma mera hipótese, uma espécie de antevisão teórica do que estaria para vir; depois, o seu uso massificou-se, até se tornar numa tecnologia essencial para a população — do mais simples ponteiro até procedimentos médicos para a destruição de células cancerígenas, estão em todo o lado.

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Sem arriscar possíveis aplicações concretas desta “partícula fantasma”, o físico admite, ainda assim, que a utilização deste género de (muito) pequenas partículas tem já uma página marcada na história das descobertas científicas. No início deste século, um grupo de físicos de partículas propôs-se a utilizar muões (da mesma família dos neutrinos, mas com carga elétrica e uma massa mais consideráveis) para identificar espaços ocultos nas Pirâmides de Gizé, no Egipto. Assim, em 2017,  e tendo em conta a sua fraca interação com outras matérias, fizeram uma espécie de “raio-X” à pirâmide Khufu, obtendo uma imagem que revelava um “vazio de 30 metros, no interior da estrutura”, que até à data era absolutamente desconhecido.

Explosão cataclísmica, fenómeno inexplicado ou evento isolado. O progresso da investigação

“Dificilmente será retirada uma conclusão muito firme” sobre aquela descoberta feita a 13 de fevereiro de 2023, acredita João Coelho. O especialista em neutrinos terrestres considera ser necessário ter um “número suficiente de observações para traçar um fluxo significativo de energia, de modo a poder desenhar uma curva que determine uma tendência” — o número de neutrinos que se espera observar com este nível de energia aumentada.

A hipótese que surge, em primeiro lugar, é se se vai verificar uma mudança nesta tendência, colocando no centro o evento que permitiu registar este neutrino “ultra energético”. Antes de ser detetado, o nível de energia captado pelos telescópios era relativamente previsível e algo reduzido. Agora, o trabalho de monitorização continua, e os investigadores estão à procura de um indicativo de que “este processo, que gera as energias muito altas, seja diferente dos que criam os neutrinos de energias baixas”, indicando, também, uma diferente origem.

Dados que possam corroborar esta hipótese ainda devem demorar até chegarem às mãos dos cientistas, alerta o investigador da KM3NeT, que afirma estar à espera de novas informações, talvez ainda este ano, ou no início do próximo. João Coelho revela, porém, que ainda “não se observou nenhum evento tão discrepante” como aquele que se registou há exatamente dois anos. O físico de astropartículas espera, ainda este ano, poder analisar com mais detalhe o conjunto inteiro de dados recolhidos naquele momento.

Este acompanhamento é, em primeira instância, feito de forma “cega”. Durante um determinado período de tempo, os valores de energia registados pelo detetor de neutrinos vão diretamente para os centros de tratamento de dados, mas não são propriamente “tratados”. São analisados certos indicadores, por uma questão de calibração e “check” do bom funcionamento dos sistemas, mas a análise integral é adiada para alguns anos depois do começo do estudo, de modo a ser possível registar uma tendência completa. O que aconteceu em 2023, no entanto, foi uma “discrepância tão significativa”, que sobressaiu imediatamente nos testes de calibração dos aparelhos, levantando as questões que posteriormente permitiram a sua análise.

Com isto, e estando à espera de novos dados, João Coelho e a restante equipa de especialistas internacionais afirmam que ainda não é garantido que, ao fim deste ano, se retirem as tais “conclusões firmes”, indicando que devem aguardar ainda “três ou quatro anos até tirar estas conclusões finais”. Tanto é possível que este neutrino tenha sido gerado num evento isolado, uma explosão cataclísmica que tenha acontecido naquele exato momento e local, ou, talvez, um fenómeno ainda sem explicação e que possa ter alterado estas partículas de uma forma permanente.

700 metros de comprimento, a mais de 3 mil metros de profundidade. Como é escolhido o local dos detetores

Não existe um grande número de detetores de neutrinos à escala global. Existem os dois da KM3NeT, um próximo de Toulon, em França, e outro na costa da Sicília, em Itália — precisamente o equipamento responsável pela deteção desta “partícula fantasma” que bateu todos os recordes existentes até esse momento. O telescópio ORCA, o primeiro mencionado, está exclusivamente direcionado para a deteção de neutrinos gerados na atmosfera terrestre, enquanto que o ARCA explora estas partículas que surgem dos mais variados locais do meio astrofísico longínquo — como supernovas, explosões de raios gama e colisões de estrelas.

O ARCA, “que está ainda numa fase inicial das operações”, estabeleceu-se no Mar Mediterrâneo apenas em 2023, tendo 30 linhas de deteção em funcionamento. O objetivo, explica João Coelho ao Observador, é chegar às 230, de modo a poder “observar estes neutrinos com mais frequência”. A empresa é a única com operações no Mediterrâneo.

Com um foco na Antártida, a rede maioritariamente norte-americana de telescópios IceCube — a “gigante” neste mercado — tem um tamanho significativamente superior à KM3NeT. Está a construir novos detetores também na Rússia, na China e no mar do Canadá, recebendo uma grande parte dos seus neutrinos do norte, enquanto os europeus acabam por receber a sua incidência vinda do sul.

Dado o grande número de detetores IceCube, comparado com os europeus, espalhados em vários locais no planeta mas incididos maioritariamente numa só região, o especialista brasileiro diz que a “probabilidade de o neutrino ultra energético ter sido detetado no Mediterrâneo era pouco menos de 1%. É surpreendente”. Defende que devem ser criados ainda mais detetores, para garantir que “várias partes do mundo estão sob constante acompanhamento”.

A escolha do local onde se instalam estes aparelhos é feita com muita preparação. Numa fase inicial, faz-se uma análise à qualidade da água — se não existe uma corrente muito forte e se é transparente — e escolhe-se sempre um ponto com uma grande profundidade. O ARCA está a cerca de 3.500 metros da superfície e tem um comprimento de 700 metros. João Coelho realça a importância da quantidade de água existente entre o detetor e a superfície, uma vez que, quanto maior for esta distância, maior será a filtragem de raios cósmicos que representam um “ruído” nos dados obtidos, maximizando a qualidade dos resultados.

Explica, também, que o telescópio — apesar da profundidade — deve estar relativamente próximo da costa, idealmente a menos de 100 km, para facilitar a transferência de informação dos detetores até ao centro de tratamento de dados na superfície. “A unidade de deteção de 700 metros de comprimento é constituída por 18 esferas de vidro resistentes à pressão”, envolvidas numa estrutura esférica de alumínio, com fotossensores no seu interior, que recebem a energia das partículas. Existe um cabo electro-ótico que percorre totalmente a dimensão do aparelho, do fundo do mar até à superfície. No topo, cordas grossas estão ligadas a uma coroa de esferas de vidro vazias.

Portugal e neutrinos. Falta de investimento, oportunidade ou desinteresse?

Um conjunto de 14 países na Europa integra a lista de instituições parceiras do projeto KM3Net. Entre eles Espanha, Itália, Roménia e Chipre. Portugal, notavelmente, não faz parte do grupo. Mas porquê? Dada a localização costeira e possivelmente propícia para a captação destas partículas, porque é que nenhuma instituição nacional está associada a esta colaboração promovida por iniciativas da União Europeia?

O professor e físico Carlos Fiolhais aponta para uma falta de investimento no ramo da física de astropartículas, enquanto que Rúben Conceição, especialista nesta área, remete para a participação em outras experiências, fora da Europa, no mesmo meio.

“Portugal participa numa experiência dedicada a raios cósmicos de energia extrema, que são uma das possíveis explicações para a existência destes neutrinos“, explica ao Observador o professor do Instituto Superior Técnico, que também coordena este projeto do Observatório Pierre Auger, na Argentina. Rúben Conceição salienta, então, que apesar de não existirem instituições portuguesas a participar na deteção de neutrinos, acabam por estar envolvidas diretamente em experiências relacionadas com a produção destas “partículas fantasma”.

É uma “área do futuro“, mas Portugal não se vê representado neste coletivo de mais de 200 cientistas. No projeto financiado através de programas da União Europeia, como o Horizon Europe, Carlos Fiolhais acredita que a não inclusão de portugueses nestes “projetos com impacto na ciência” se deve exclusivamente a uma “falta de investimento”.  Explica, também, que existe um número relativamente limitado de cientistas especializados nesta área, que acabam distribuídos pelos restantes projetos de astropartículas atualmente a ser desenvolvidos.