Os neutrinos são partículas onipresentes, porém intangíveis, que permeiam o universo, atravessando planetas inteiros, estrelas e nossos corpos aos trilhões a cada segundo. Essas partículas elementares são frequentemente descritas como "fantasmagóricas" devido à sua massa próxima de zero e à sua natureza esquiva, já que interagem muito pouco com a matéria comum. 

Desde sua descoberta em 1956, os neutrinos continuam a surpreender os físicos com suas propriedades e comportamentos inesperados. Por exemplo, essas partículas apresentam múltiplos "sabores" e podem se transformar de um para o outro como metamorfos subatômicos. Os neutrinos também podem ser sua própria antipartícula, em uma dualidade quântica semelhante à do Dr. Jekyll e Mr. Hyde. E suas interações extremamente fracas os tornam praticamente impossíveis de detectar.  

No ano passado, os cientistas pareciam aumentar o mistério em torno da partícula com um conceito para um  laser de neutrinos . Eles propuseram que um feixe concentrado de neutrinos poderia ser produzido resfriando uma nuvem de átomos radioativos a temperaturas de nanokelvin, um bilionésimo da temperatura do espaço interestelar. Reduzidos a uma velocidade quase congelante, os átomos formariam um condensado de Bose-Einstein e deveriam se comportar como um todo quântico coerente, de forma a acelerar e amplificar seu decaimento radioativo. Os físicos presumiram que os neutrinos, sendo um subproduto natural do decaimento radioativo, também seriam amplificados e que tal processo emitiria um feixe semelhante a um laser dessas partículas fantasmagóricas. 

Mas um trabalho realizado por físicos do MIT demonstrou que o conceito de laser de neutrinos, e uma proposta semelhante para raios gama, é impossível. Em dois artigos complementares publicados hoje na Physical Review Letters , Wolfgang Ketterle, professor de Física John D. MacArthur no MIT, juntamente com os pós-doutorandos Hanzhen Lin e Yu-Kun Lu, apresenta uma análise em duas partes que demonstra que ambos os conceitos são física e fundamentalmente impossíveis. Mais especificamente, eles mostraram que o conceito de laser de neutrinos é falho, devido ao "recuo" (ou seja, a energia cinética criada pela reação) e à natureza "fermiônica" fundamental do neutrino. 

“Esses dois artigos são como um soco no estômago e um soco no estômago”, diz Ketterle. “Cada artigo teria acabado com a proposta.”

Joe Formaggio, professor de física do MIT, que apresentou a proposta do laser de neutrinos juntamente com Ben Jones, então professor associado de física na Universidade do Texas em Arlington, considera os novos resultados um desafio convincente e construtivo. 

“Quando uma nova ideia — como a que propusemos — é compartilhada, é dever da comunidade analisá-la criticamente. Esse é o processo científico”, diz Formaggio. “De fato, foi ótimo ver como nosso artigo gerou muitas reflexões além do nosso conceito original. Suspeitamos que isso continuará.”

A proposta de um laser de neutrinos baseava-se na ideia de "superradiância" — um efeito quântico de amplificação que só havia sido observado em fótons. 

Uma forma de superradiância ocorre quando uma nuvem de átomos é resfriada a temperaturas próximas do zero absoluto, ponto em que o movimento de um átomo é determinado não por efeitos térmicos, mas puramente pela incerteza quântica. Nesse estado de quase imobilidade, conhecido como "condensado de Bose-Einstein" (BEC), os átomos se movem em sincronia, como um todo quanticamente correlacionado. 

Se fótons forem bombeados para o condensado como um feixe de laser, os átomos se sincronizam para dispersar os fótons de volta, exatamente na mesma direção. Em contraste, uma nuvem de átomos à temperatura ambiente simplesmente dispersaria os fótons em direções aleatórias, gerando, na melhor das hipóteses, um brilho fraco. À medida que os fótons se dispersam pelos átomos, estes, por sua vez, deveriam sofrer um "recuo", como se fossem fisicamente empurrados para trás pelo impacto. Em um condensado de Bose-Einstein (BEC), como os átomos sofrem recuo em sincronia, a taxa na qual eles dispersam fótons, na mesma direção, cresce exponencialmente. Esse efeito de amplificação resulta em um laser de fótons "superradiante", que os cientistas já observaram. 

Em sua proposta, Formaggio e Jones, que agora está na Universidade de Manchester, sugeriram que o mesmo efeito superradiante poderia ser possível para átomos radioativos, que naturalmente emitem neutrinos à medida que decaem. Se uma nuvem de átomos radioativos fosse resfriada para formar um condensado de Bose-Einstein, um efeito amplificador semelhante deveria entrar em ação e gerar um feixe concentrado de neutrinos à medida que os átomos decaem em sincronia. Para ilustrar seu ponto, eles descreveram um cenário no qual uma nuvem de átomos de rubídio radioativos, uma vez resfriada em um BEC, aceleraria seu decaimento radioativo, de uma meia-vida de 86 dias para um minuto.

Ninguém jamais produziu um condensado de Bose-Einstein a partir de átomos radioativos. Mas, se isso fosse possível, o estado quântico resultante deveria, em teoria, produzir um laser de neutrinos. 

Para Ketterle, a ideia parecia boa demais para ser verdade. Ketterle é o maior especialista em condensados de Bose-Einstein, que ele codescobriu em 1995 e pelos quais dividiu o Prêmio Nobel de Física em 2001. Ele e seu grupo no MIT revelaram muitas propriedades surpreendentes em condensados de Bose-Einstein e outras matérias ultrafrias, onde a energia dos átomos é a mais baixa possível.

“Minha experiência sempre foi que o condensado pode fazer coisas maravilhosas com baixa energia — superfluidez, vórtices — e se você falasse em uma sala cheia de condensado, levaria uma hora para você ouvir minha voz. É assim que o condensado é lento”, diz Ketterle. “E eu sempre cheguei à conclusão de que, para qualquer coisa violenta, como reações nucleares, o condensado não faria nada.”

Em comparação com os fótons visíveis, que têm uma energia de 1 elétron-volt, os neutrinos são emitidos naturalmente quando os átomos decaem, com um milhão de vezes mais energia. Quando um neutrino é expelido de um átomo, a emissão deve fazer com que o átomo, por sua vez, sofra um recuo um milhão de vezes mais forte do que o causado pelos fótons visíveis. 

“Enquanto o átomo de recuo permanecer no condensado, ele pode torná-lo superradiante”, diz Ketterle. “Mas quando um neutrino é emitido a um milhão de elétron-volts, o átomo recua a velocidades equivalentes a Mach 10, mais rápido que um caça. Isso é tão rápido que o átomo desapareceria quase instantaneamente.”

Ainda assim, a proposta do laser de neutrinos pressupunha que o átomo que escapasse deixaria uma espécie de impressão quântica no condensado, que instruiria o condensado como um todo a emitir neutrinos futuros exatamente na mesma direção, semelhante à de um laser.

Mas, no primeiro de dois novos artigos, Ketterle e sua equipe mostram, por meio de uma análise teórica, que esse não é o caso. Eles consideraram um modelo que descreve a superradiância. Esse modelo determina as condições que levariam à superradiância de fótons. Ketterle aplicou o modelo ao caso de átomos radioativos e neutrinos, levando em conta a faixa de energias em que as partículas são emitidas, bem como o recuo resultante do átomo em decaimento e a dinâmica do condensado durante todo o processo. 

Esses cálculos mostraram que, em todos os cenários considerados pela equipe, a superradiância não era possível. O átomo simplesmente recuava rápido demais para que qualquer impressão quântica se acumulasse. Era como se o condensado perdesse instantaneamente a "memória" do neutrino emitido e, portanto, continuasse emitindo neutrinos como os átomos normalmente fariam, sem amplificação.

Em seu segundo artigo, os pesquisadores do MIT mostraram que, além de ser impossível devido a um efeito de recuo físico, o conceito de um laser de neutrinos é falho devido à natureza fundamental dos neutrinos. 

Eles descobriram que, mesmo que um átomo em recuo deixasse uma impressão quântica no condensado, essa impressão não indicaria o que emitir em seguida, mas sim o que não emitir. Em outras palavras, a memória do neutrino emitido diria ao condensado para emitir o próximo neutrino em qualquer outra direção, impedindo a formação de um feixe de neutrinos direcional. Os pesquisadores mostraram que essa memória oposta, ou “anticorrelação”, se deve ao fato de que um neutrino é, fundamentalmente, um férmion. 

Férmions e bósons são as duas classes fundamentais de partículas que compõem toda a matéria do universo. Bósons são partículas com spin inteiro, como os fótons. Em contraste, férmions, como elétrons e neutrinos, têm spin semi-inteiro. O fato de uma partícula ter spin inteiro ou semi-inteiro determina como ela interage em nível quântico com outras partículas. 

“Na superradiância, trata-se de um efeito de memória, ou correlações quânticas no condensado. E nesse contexto, acreditava-se que, independentemente do que fosse emitido pelo condensado, fosse um bóson ou um férmion”, explica Ketterle. “Mas nós analisamos e, se você descrever corretamente os férmions emitidos, obterá uma antimemória, que impede o condensado de acelerar em uma forma superradiante. Ele, na verdade, possui a memória para não fazê-lo.”

Ketterle, Formaggio e Jones se reuniram em diversas ocasiões para discutir a proposta original do laser de neutrinos e o desafio apresentado por Ketterle a ela.

“Suspeito que um dia alguém fará o experimento”, diz Formaggio. “A natureza, como sempre, é a árbitra final dessas coisas. E aqui eu seria negligente se não apontasse que todas as previsões anteriores sobre neutrinos estavam erradas. A única coisa sobre neutrinos que nunca surpreende os físicos é que eles nunca deixam de surpreender.”

Em parte, Ketterle concorda: 

“São necessárias ideias criativas e discussões entre cientistas para desvendar as surpresas da natureza”, afirma. “Mas, no caso dos lasers de neutrinos, a surpresa era boa demais para ser verdade.”

Esta pesquisa conta com o apoio, em parte, da Fundação Nacional de Ciência (National Science Foundation), do Centro de Átomos Ultrafrios (Center for Ultracold Atoms), da Bolsa de Estudos Vannevar-Bush para Docentes (Vannevar-Bush Faculty Fellowship), da Fundação Gordon e Betty Moore (Gordon and Betty Moore Foundation) e do Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA (US Army Research Office).