A “vida” de um elétron é ao menos 5 quintilhões de vezes maior do que a idade do universo

A física básica sugere que elétrons são essencialmente imortais. Uma experiência fascinante recentemente falhou em derrubar essa suposição fundamental. Mas os esforços dela produziram um tempo de vida mínimo revisado para elétrons: 60.000 yotta-anos, o que é – preste atenção – cerca de cinco quintilhões de vezes a atual idade do universo.

Os yotta anos

Um elétron é a partícula subatômica mais leve que transporta uma carga elétrica negativa. Não há componentes conhecidos nele, e é por isso que os elétrons são considerados os blocos básicos do universo, ou uma partícula elementar.

A instalação Borexino (Crédito: INFN/Gran Sasso)

Uma equipe de pesquisadores de diversas nacionalidades que trabalham no experimento Borexino, na Itália, buscava sinais de elétrons decaindo em partículas mais leves, mas, como esperado, não deu muito certo. Isso é bom, porque confirma o que físicos vem suspeitando há muito tempo. Se eles encontrassem evidências de que elétrons decaem em fótons e neutrinos – partículas elementares com ainda menos massa – isso violaria a conservação de uma carga elétrica. Tal descoberta sugeria uma nova física muito além do modelo padrão.

Mas os cientistas conseguiram fazer a medida mais precisa do “tempo de vida” de um elétron. Seus cálculos sugerem que uma partícula presente hoje vai permanecer por aí por cerca de 66.000 yotta ano (6.6 × 10²⁸ anos), o que diz a Physics World que isso é “cerca de cinco quintilhões de vezes a atual idade do universo.” Os detalhes do trabalho foram publicados no jornal científico Physical Review Letters.

Um artigo do APS Physics explica com os cientistas chegaram a isso:

O borexino consiste em uma estrutura com líquido baseado em petróleo que acende quando um neutrino, uma partícula neutra praticamente sem massa, bate em um elétron solto de um dos átomos do líquido. Os cerca de 2000 fotomultiplicadores do detector então amplificam e detectam a luz emitida. Os pesquisadores calcularam a sensibilidade do detector a fótons produzida via um hipotético decaimento de elétrons em um fóton e um neutrino… Então eles buscaram “eventos” de fótons acima desse fundo com energias perto de 256 kilo-elétron-volts, uma energia correspondente à metade da massa de repouso do elétron.

Após observarem o acumulado de 408 dias em dados, eles encontraram… nada. Mas conseguiram determinar uma duração de vida de um elétron.

Um novo limite inferior

Isso não sugere que elétrons vão viver por tanto tempo assim. Provavelmente o universo não vai existir dentro de tanto tempo. E mesmo que ele ainda esteja por aí, as propriedades fundamentais de partículas como elétrons provavelmente vão ser completamente diferentes.

Segundo, e mais importante, a nova medida aumenta a estimativa anterior do limite inferior da longevidade de um elétron. O novo número é cerca de 100 vezes maior do que o limite inferior anterior, que foi determinado em um experimento similar em 1998. Para explicar de outra forma, se tal reação ocorrer, ela deve acontecer menos de uma vez a cada 6.6 × 10²⁸ anos.

Sem sinais de decaimento

O motivo por trás dessa duração de vida tão longa tem a ver com o fato dos cientistas não conseguirem ficar completamente certos de que elétrons são imunes a deteriorização. As observações feitas pelos pesquisadores do Borexino – ou a falta de observações – sugerem que, como não vimos decaimento de elétrons até agora, sua duração de vida deve ser ao menos tão grande quanto o cálculo sugere.

Sean Carroll, um professor do Departamento de Física do Instituto de Tecnologia da Califórnia, explicou assim ao Gizmodo:

O decaimento é muito natural em partículas físicas; partículas pesadas tendem a decair em mais leves. Um nêutron sozinho, por exemplo, vai decair em um próton, um elétron, e um anti-neutrino em alguns minutos. É a versão da partícula elementar do decaimento do núcleo radioativo do urânio, por exemplo.

Mas algumas coisas parecem nunca acontecer, o que é descrito por leis de conservação. Por exemplo, a carga elétrica total não muda. Além disso, o “número bariônico” (número total de prótons mais nêutrons, menos o número de anti-prótons mais anti-nêutrons), e o “número leptônico” (elétrons mais neutrinos, menos suas antipartículas). Note que isso é definido pela decadência de nêutrons. Antes da decadência, temos um nêutron que tem carga = 0, número bariônico = 1, e número leptônico = 0. Depois, ele também tem carga = 0 (próton = +1, elétron = -1, anti-neutrino = 0), número bariônico = 1 (próton = 1, elétron e anti-neutrino = 0), e leptônico = 0 (próton = 0, elétron = 1, anti-neutrino = -1).

Números bariônicos e leptônicos nunca foram vistos mudando em experimentos – quem conseguir isso leva para casa um Prêmio Nobel – mas em teoria acreditamos que eles podem mudar, e provavelmente mudaram no universo antigo. (Isso ajudaria a explicar porque há mais matéria do que antimatéria no universo).

Mas ninguém espera que a carga mude, o que é uma quantidade mais robustamente conservada.

“Seria uma das coisas mais surpreendentes da história se a carga elétrica não for conservada,” disse Carroll. “É por isso que todo mundo acha que elétrons não decaem.”

Carroll disse que as únicas partículas que são mais leves do que elétrons são eletricamente neutras: neutrinos, fótons, glúons e grávitons. Se existisse outra partícula leve carregada, já teríamos detectado ela. Isso sugere que não há nada para o elétron decair.

“Mas deveríamos continuar procurando! É como ganhar na loteria – é improvável, mas se acontecer, você fica rico,” disse Carroll. “Infelizmente, eles não encontraram nada, mas resultados nulos são uma parte importante da ciência. [Physical Review Letters]