Pistas escondidas em partículas fantasmagóricas podem explicar por que existimos

Pela primeira vez, duas das maiores experiências de neutrinos do mundo – T2K no Japão e NOvA nos Estados Unidos – combinaram os seus dados para alcançar uma precisão sem precedentes no estudo dos neutrinos, as partículas quase invisíveis que preenchem o cosmos mas que raramente interagem com alguma coisa.

A sua análise conjunta, recentemente publicada em Naturezaoferece as medições mais precisas de como os neutrinos mudam de um tipo para outro à medida que viajam pelo espaço. Este marco abre caminho para pesquisas futuras que poderão aprofundar a nossa compreensão da evolução do Universo – ou mesmo desafiar as teorias científicas atuais.

Kendall Mahn, professor de física e astronomia na Michigan State University e co-porta-voz da T2K, ajudou a coordenar a colaboração. Ao unir os pontos fortes de ambas as experiências, as equipas alcançaram resultados que nenhuma delas conseguiria alcançar sozinha.

“Esta foi uma grande vitória para o nosso campo”, disse Mahn. “Isso mostra que podemos fazer esses testes, podemos analisar os neutrinos com mais detalhes e podemos trabalhar juntos com sucesso.”

Por que a matéria existe

Segundo os físicos, o universo primitivo deveria conter quantidades iguais de matéria e antimatéria. Se fosse esse o caso, os dois teriam se aniquilado completamente. No entanto, a matéria sobreviveu de alguma forma – e não temos uma razão clara para isso.

Muitos investigadores acreditam que a resposta pode estar escondida no estranho comportamento dos neutrinos, pequenas partículas que passam constantemente através de nós, mas raramente interagem. Compreender um processo chamado oscilação de neutrinos, onde estas partículas mudam de “sabores” à medida que se movem, poderia ajudar a explicar porque é que a matéria triunfou sobre a antimatéria.

“Os neutrinos não são bem compreendidos”, disse Joseph Walsh, associado de pós-doutorado da MSU, que trabalhou no projeto. “As suas massas muito pequenas significam que não interagem com muita frequência. Centenas de biliões de neutrinos do Sol passam pelo nosso corpo a cada segundo, mas quase todos passarão directamente. Precisamos de produzir fontes intensas ou utilizar detectores muito grandes para lhes dar oportunidade suficiente de interagir para que possamos vê-los e estudá-los.”

Como funcionam os experimentos

Tanto o T2K quanto o NOvA são conhecidos como experimentos de linha de base longa. Cada um envia um feixe focalizado de neutrinos em direção a dois detectores – um próximo à fonte e outro a centenas de quilômetros de distância. Ao comparar os resultados de ambos os detectores, os cientistas podem acompanhar como os neutrinos mudam ao longo do caminho.

Como os experimentos diferem em design, energia e distância, a combinação de seus dados dá aos pesquisadores uma imagem mais completa.

“Ao fazer uma análise conjunta, você pode obter uma medição mais precisa do que cada experimento pode produzir sozinho”, disse Liudmila Kolupaeva, colaboradora do NOvA. “Como regra, os experimentos em física de altas energias têm projetos diferentes, mesmo que tenham o mesmo objetivo científico. As análises conjuntas nos permitem usar recursos complementares desses projetos.”

O quebra-cabeça da massa do neutrino

O foco principal do estudo é algo chamado “ordenação de massa de neutrinos”, que pergunta qual tipo de neutrino é o mais leve. Isto não é tão simples como pesar partículas numa balança. Os neutrinos existem em três estados de massa, e cada sabor de neutrino é na verdade uma mistura desses estados.

Os cientistas estão tentando determinar se o arranjo de massa segue um padrão “normal” (dois leves e um pesado) ou “invertido” (dois pesados ​​e um leve). No caso normal, os neutrinos do múon têm maior probabilidade de se tornarem neutrinos do elétron, enquanto seus parceiros de antimatéria têm menos probabilidade de fazê-lo. O inverso ocorre no padrão invertido.

Um desequilíbrio entre os neutrinos e os seus homólogos de antimatéria pode significar que estas partículas violam um princípio conhecido como simetria de paridade de carga (CP) – o que significa que não se comportam exactamente da mesma forma que os seus espelhos opostos. Tal violação poderia explicar por que a matéria domina o universo.

O que os resultados mostram

Os resultados combinados do NOvA e do T2K ainda não apontam decisivamente para qualquer ordenação em massa. Se estudos futuros confirmarem a ordenação normal, os cientistas ainda precisarão de mais dados para esclarecer se a simetria do CP está quebrada. Mas se a ordem invertida se revelar correta, esta investigação sugere que os neutrinos podem de facto violar a simetria do CP, oferecendo uma pista poderosa sobre a razão pela qual a matéria existe.

Se os neutrinos não violassem a simetria CP, os físicos perderiam uma das suas explicações mais fortes para a existência da matéria.

Embora estes resultados não resolvam completamente o mistério dos neutrinos, eles expandem o que os cientistas sabem sobre estas partículas indescritíveis e demonstram a força da colaboração internacional em física.

A colaboração NOvA inclui mais de 250 cientistas e engenheiros de 49 instituições em oito países. A equipe T2K envolve mais de 560 membros de 75 instituições de 15 países. Os dois grupos começaram a trabalhar juntos nesta análise em 2019, fundindo oito anos de dados NOvA com uma década de resultados T2K. Ambos os experimentos continuam coletando novas informações para atualizações futuras.

“Estes resultados são o resultado de uma cooperação e compreensão mútua de duas colaborações únicas, ambas envolvendo muitos especialistas em física de neutrinos, tecnologias de detecção e técnicas de análise, trabalhando em ambientes muito diferentes, usando métodos e ferramentas diferentes”, disse Tomáš Nosek, colaborador do T2K.