Arthur B. McDonald: O físico que trabalhou a dois quilómetros de profundidade

Dois quilómetros abaixo da paisagem de Ontário, dentro de uma mina de níquel em atividade perto de Sudbury, Arthur McDonald passou mais de uma década a realizar uma experiência que precisava de ser protegida de quase todas as partículas à superfície da Terra para poder captar as que choviam do Sol. Quando os números finalmente chegaram em 2001, ele chamou-lhe o seu "momento eureka": os neutrões, as partículas fantasma que os físicos assumiam não ter massa, estavam a mudar de identidade em pleno voo — prova de que afinal tinham massa.

De Sydney, Nova Escócia, para Caltech

Arthur Bruce McDonald nasceu a 29 de agosto de 1943 em Sydney, Nova Escócia, e permaneceu perto de casa para a sua formação inicial, obtendo um bacharelato em 1964 e um mestrado em 1965 em física pela Universidade de Dalhousie. Cruzou depois o continente para realizar estudos de pós-graduação no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), completando um doutoramento em física nuclear em 1969 sob a orientação de Charles A. Barnes, com uma tese sobre as energias de excitação e propriedades de decaimento de estados nucleares específicos em oxigénio-17, flúor-17 e sódio-21 — um trabalho técnico e pouco glamoroso, típico de um jovem físico nuclear a encontrar o seu caminho antes da descoberta que definiria a sua carreira.

De Chalk River para Princeton

A vida profissional inicial de McDonald foi passada em grande parte dentro do estabelecimento de investigação nuclear do Canadá, como investigador nos Laboratórios Nucleares de Chalk River de 1969 a 1982, como parte do programa emblemático do país em física de reatores e partículas. Mudou-se depois para um cargo de professor na Universidade de Princeton de 1982 a 1989, antes de regressar ao Canadá para se juntar à Universidade Queen's em Kingston, Ontário, em 1989 — o mesmo ano em que se tornou o diretor fundador de uma nova e ambiciosa experiência que estava a ser construída numa mina em atividade a dois quilómetros de profundidade.

Construindo o Observatório de Neutrões de Sudbury

O Observatório de Neutrões de Sudbury, conhecido como SNO, foi construído dentro da mina de níquel Creighton especificamente porque a sua enorme profundidade de rocha protegeria um detetor extraordinariamente sensível do fundo de raios cósmicos que inunda a superfície da Terra. No seu centro estavam mil toneladas de água pesada, escolhida porque podia registar todos os três tipos, ou "sabores", de neutrão em vez de apenas um. McDonald liderou a colaboração internacional do SNO durante a construção do projeto e, uma vez iniciadas as operações em 1998, durante anos de minuciosa recolha de dados destinada a resolver um puzzle com décadas conhecido como o problema dos neutrões solares: os detetores na Terra encontravam consistentemente apenas cerca de um terço dos neutrões eletrónicos que a física solar previa que o Sol deveria produzir. Em agosto de 2001, os resultados do SNO mostraram porquê — os neutrões em falta não tinham desaparecido, tinham mudado de sabor, oscilando de neutrões eletrónicos para neutrões muónicos e tauónicos na sua viagem desde o núcleo do Sol até ao poço da mina de Ontário. Essa oscilação só poderia acontecer se os neutrões, contrariamente às suposições originais integradas no Modelo Padrão da física de partículas, possuíssem uma massa pequena mas diferente de zero.

Um Nobel partilhado através do Pacífico

O Prémio Nobel da Física de 2015 foi atribuído conjuntamente a McDonald e ao físico japonês Takaaki Kajita, cuja experiência Super-Kamiokande tinha encontrado independentemente provas de oscilação de neutrões usando neutrões atmosféricos em vez de solares. A citação reconheceu ambos os homens "pela descoberta das oscilações de neutrões, que mostra que os neutrões têm massa" — uma descoberta que o comité Nobel e a comunidade física em geral consideraram a primeira fissura confirmada no Modelo Padrão, o quadro que tinha, de outra forma, previsto o comportamento das partículas com uma precisão notável durante décadas. McDonald continuou a receber uma série de honras relacionadas: a Medalha Benjamin Franklin em Física em 2007, a eleição como membro da Royal Society em 2009, o Prémio Killam em Ciências Naturais em 2010, a Medalha Henry Marshall Tory em 2011, o Prémio Giuseppe e Vanna Cocconi de Astrofísica de Partículas em 2013, a nomeação como Companheiro da Ordem do Canadá em 2015 e o Breakthrough Prize em Física Fundamental, de vários milhões de dólares, partilhado entre as equipas do SNO e do Super-Kamiokande. Um asteroide, 229781 Arthurmcdonald, recebeu o seu nome em 2016.

SNOLAB, Matéria Escura e um desvio pandémico

A instalação subterrânea que McDonald construiu para o SNO não fechou quando a experiência de neutrões terminou; foi expandida para SNOLAB, um dos laboratórios científicos subterrâneos mais profundos e limpos do mundo, onde McDonald continuou a investigação em física de neutrões e a busca por matéria escura como professor emérito na Universidade Queen's. As suas competências também se revelaram úteis fora da física de partículas: durante a pandemia de COVID-19, McDonald ajudou a liderar o esforço de engenharia por trás do Mechanical Ventilator Milano, um design de ventilador de código aberto e passível de produção em massa, trabalho que obteve apoio público do primeiro-ministro canadiano Justin Trudeau enquanto os hospitais enfrentavam a escassez de equipamento.

Por que Arthur é chamado de génio

A condição de génio de McDonald não advém tanto de um lampejo de perspicácia teórica, mas sim da disciplina de engenharia e organizacional, sustentada e quase obstinada, necessária para responder a uma pergunta que a natureza tinha escondido extraordinariamente bem. Os neutrões interagem tão fracamente com a matéria comum que biliões passam pelo corpo humano a cada segundo sem efeito; detetar a minúscula fração que interage, de forma suficientemente limpa para distinguir um sabor de outro, exigiu construir e operar um dos instrumentos mais isolados e calibrados com precisão jamais construídos, a dois quilómetros de profundidade, durante grande parte de duas décadas. Este não é o génio de uma ideia súbita, mas sim o da paciência experimental implacável — projetar um aparelho suficientemente sensível para captar o que ninguém tinha captado antes e manter uma colaboração internacional unida durante tempo suficiente para obter uma resposta clara. A qualificação honesta é que a ideia subjacente da oscilação de neutrões não foi apenas de McDonald: teóricos tinham-na proposto anteriormente, e a equipa de Takaaki Kajita chegou a uma conclusão paralela independentemente usando neutrões completamente diferentes, que é precisamente a razão pela qual o Nobel foi partilhado. O contributo distinto de McDonald foi prová-lo de forma decisiva, com uma experiência cuja pura audácia física — água pesada, uma mina em atividade, blindagem contra raios cósmicos nessa escala — foi tanto um feito de física aplicada e liderança como de teoria.

Legado

A descoberta da experiência SNO reformulou um pressuposto fundamental da física de partículas e deixou para trás o SNOLAB como uma peça permanente de infraestrutura científica, agora a acolher buscas de matéria escura e outras experiências subterrâneas profundas que seriam impossíveis em qualquer outro lugar da Terra. McDonald, ainda ativo na investigação mesmo depois dos oitenta anos, continua a ser um dos cientistas mais condecorados do Canadá e uma presença contínua no laboratório subterrâneo que construiu pela primeira vez para captar um punhado de partículas elusivas provenientes do Sol.