Rastro deixado por múon de alta energia nos detectores do observatório IceCube. Crédito: icecube.wisc.edu

Mais uma vez os neutrinos mais rápidos que a luz esbarraram com a física conhecida. E dessa vez a trombada foi feia, muito pior que das outras vezes. Uma nova análise do polêmico resultado do experimento OPERA, cujo anúncio em setembro deste ano deixou tanto o público quanto a comunidade dos físicos em estado de choque, confrontou as conclusões do experimento com princípios básicos do movimento das partículas elementares, tais como a conservação da energia e do momento, assim como os dados de diversos experimentos espalhados pelo mundo, que detectam os neutrinos criados na colisão dos raios cósmicos com átomos da atmosfera da Terra. A conclusão da análise foi que, mesmo se a teoria da relatividade de Einstein, que proíbe a existência de partículas mais rápidas que a luz, não for totalmente verdadeira, mas apenas uma boa aproximação da realidade, mesmo assim os neutrinos mais rápidos que a luz supostamente detectados pelo OPERA não deveriam existir.

O físico Ramanath Cowsik, da Universidade Washington, em Saint Louis, no Missouri (EUA), junto com seus colegas Shmuel Nussinov e Utpal Sarkar, descobriram que o problema com os neutrinos mais rápidos que a luz começa exatamente quando eles são formados. No polêmico experimento, esses neutrinos nascem na Suíça a partir de um feixe de prótons em um laboratório do CERN. Quando os prótons colidem com um alvo de carbono, parte da sua energia se transforma em partículas chamadas mésons, principalmente os do tipo chamado píons, que viajam por um túnel a vácuo guiadas por um campo magnético, até que em um dado momento essas partículas se transformam em múons (uma espécie de elétron gordo e de vida curta) e neutrinos do múon. Esses neutrinos seguem debaixo da terra por 730 km, atravessando os Alpes, até colidirem com os detectores do OPERA, instalados a 1.400 metros de profundidade, no Laboratório Nacional de Gran Sasso, próximo a Roma, na Itália. A questão toda é o fato desses neutrinos terem chegado em média 60 nanossegundos antes que a luz demoraria para percorrer o mesmo caminho.

Fora a possibilidade de que haja um erro desconhecido nessa medida, um erro tão sutil que mesmo depois de meses de checagem e rechecagem nenhum dos 160 físicos que trabalham no experimento o tenha conseguido identificar, a explicação mais simples proposta até a agora é a de que a teoria da relatividade de Einstein não seja exatamente correta. Assim como hoje sabemos que, embora extremamente úteis, as leis do movimento da teoria da mecânica clássica de Isaac Newton são apenas aproximações válidas em certas circunstâncias, derivadas das leis da teoria da relatividade, a própria teoria da relatividade seria a aproximação de uma teoria desconhecida.

Mesmo sem saber os detalhes dessa teoria desconhecida, os físicos podem calcular as consequências de se considerar a relatividade uma aproximação. O coração da relatividade é uma estrutura matemática chamada de simetria ou invariância de Lorentz. Essa simetria implica que as leis da física são as mesmas para observadores em movimento uniforme e que a velocidade da luz é a mesma para qualquer observador. A ideia é que a teoria desconhecida resultaria em uma pequena quebra nessa simetria. Einstein estaria errado, mas só um pouquinho. A medida do movimento superluminal dos neutrinos do OPERA, por exemplo, sugere que a invariância de Lorentz seja violada em aproximadamente uma parte em cem mil.

O que Cowsik e seus colegas fizeram foi calcular qual seria o efeito de uma violação da invariância de Lorentz na transformação dos píons em múons e neutrinos do múon. O cálculo deles é simples de fato, assumindo apenas coisas bem básicas como a conservação da energia e do momento linear. A conclusão, publicada em 24 de dezembro na revista Physical Review Letters (preprint), é que quanto mais os neutrinos viajam mais rápidos que a luz, mais tempo os píons demoram para se transformarem, e uma fração cada vez menor da energia dos píons é transferida aos neutrinos.

Eles calcularam que, se o tamanho da violação da invariância de Lorentz for mesmo a sugerida pelo resultado do OPERA, o tempo de vida dos píons seria seis vezes maior que o observado, além do que não seriam observados neutrinos superluminais com energias maiores 5 GeVs. Os neutrinos detectados pelo OPERA, porém, tinham energias em torno de 20 GeVs, o que mostra que o resultado experimental não é consistente com premissas da física ainda mais fundamentais que as da teoria da relatividade.

Além disso, o trio de físicos resolveu comparar seus cálculos para os píons com os dados da detecção de múons e neutrinos do múons produzidos a partir de píons originados na colisão de raios cósmicos com átomos da atmosfera. Em particular, compararam seus cálculos com resultados recentes do maior telescópio de neutrinos em atividade, o gigantesco IceCube, localizado no Pólo Sul. E o resultado foi que, se existe mesmo uma violação da invariância de Lorentz, ela não deve ser maior que uma parte em mil bilhões, isto é, pelo menos cem milhões de vezes menor que a violação que resultado do OPERA sugere.

Os cálculos deles também mostraram que a situação só piora se essa violação da invariância de Lorentz depender da energia do neutrino, o que deveria acontecer para compatibilizar a medida do OPERA com outra medida da velocidade dos neutrinos, feita em 1987. Naquele ano, o experimento japonês Kamiokande detectou os neutrinos vindos da explosão de uma estrela na Grande Nuvem de Magalhães, a 168 mil anos-luz daqui, a supernova 1987A, e verificou que os neutrinos não viajam mais rápidos que a luz (se a velocidade dos neutrinos fosse a medida pelo OPERA, as partículas teriam chegado quatro anos antes na Terra). A energia dos neutrinos da 1987A, porém, era mil vezes menor que a dos neutrinos do OPERA, o que abre a possibilidade de que a violação dependa da energia. Mas essa mesma dependência não permitiria que os neutrinos superluminais de alta energia se formassem, de acordo com os cálculos de Cowsik e colegas, o que novamente torna o resultado do OPERA inconsistente com as leis da física.

Essa não é a primeira demonstração de que os neutrinos superluminais não podem ser explicados por uma violação da invariância de Lorentz. Em um trabalho semelhante publicado em outubro na Physical Review Letters (preprint), Andrew Cohen e Sheldon Glashow, ambos da Universidade de Boston, EUA, demonstraram que neutrinos superluminais tenderiam a perder energia ao longo do caminho, emitindo pares de elétrons e pósitrons (a antipartícula do elétron), de maneira semelhante a geração da onda de choque produzida por um avião quando quebra a barreira do som. Pelos cálculos de Cohen e Glashow, o OPERA não deveria detectar neutrinos com energias superiores a 12 GeVs, sendo que de fato alguns dos neutrinos chegavam a ter energias maiores que 40 GeVs. Outro experimento em Gran Sasso, o ICARUS, buscou por sinais da emissão de elétrons e pósitrons e nada encontrou.

Ao que parece, uma violação simples da invariância de Lorentz está descartada para explicar as medidas do OPERA. Como Cowsik e colegas comentam em seu artigo, pode ser que a violação tenha uma dependência da energia com termos matemáticos que precisamente cancelem o efeito que eles descobriram, mas isso soa bastante improvável. Se a medida do OPERA for confirmada, a física talvez passe por uma grande revolução, que no entanto manterá a relatividade de Einstein intacta.

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P.S.: Pouco antes de publicar esse post encontrei este artigo interessante, em que os autores notam que todos os efeitos descritos acima que tornam o resultado do OPERA absurdo não existiriam se em vez da simetria de Lorentz ser quebrada, ela seja levemente deformada. Esse é um cenário teórico que alguns dos autores desse paper, os físicos Lee Smolin e Giovanni Amelino-Camelia vêm investigando há alguns anos, inclusive buscando por sinais de deformação na simetria de lorentz em observações de raios X, raios gama e raios cósmicos de altíssima energia vindos de explosões cósmicas extremas, até agora sem sucesso.

Referências:

Cowsik, R., Nussinov, S., & Sarkar, U. (2011). Superluminal Neutrinos at OPERA Confront Pion Decay Kinematics Physical Review Letters, 107 (25) DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.251801