Cientistas passaram 10 anos perseguindo uma partícula que não estava lá

Os resultados foram publicados em Natureza e vêm do experimento MicroBooNE no Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) do Departamento de Energia dos EUA em Batavia, Illinois. (A sigla MicroBooNE significa “Micro Booster Neutrino Experiment”.)

Um teste de uma década no Fermilab

O MicroBooNE depende de um grande detector de argônio líquido e de observações de dois feixes de neutrinos separados. Ao acompanhar cuidadosamente o comportamento dos neutrinos, os cientistas conseguiram descartar a existência de um único neutrino estéril com 95% de certeza.

Andrew Mastbaum, professor associado do Departamento de Física e Astronomia da Rutgers School of Arts and Sciences e membro da equipe de liderança da MicroBooNE, descreveu a descoberta como uma grande mudança para o campo.

“Este resultado irá desencadear ideias inovadoras na investigação de neutrinos para compreender o que realmente está a acontecer”, disse ele. “Podemos descartar um grande suspeito, mas isso não resolve o mistério.”

Por que os neutrinos são importantes

Os neutrinos são partículas extremamente pequenas que raramente interagem com a matéria. Eles podem viajar direto por planetas inteiros sem diminuir a velocidade. De acordo com o Modelo Padrão, que é a estrutura líder em física de partículas, existem três tipos conhecidos de neutrinos: elétron, múon e tau. Essas partículas podem se transformar de um tipo para outro por meio de um fenômeno conhecido como oscilação.

Em experiências anteriores, contudo, os cientistas observaram o comportamento dos neutrinos que não correspondia totalmente às previsões do Modelo Padrão. Para explicar esses resultados, os pesquisadores sugeriram a existência de um quarto tipo de neutrino denominado neutrino estéril. Ao contrário dos tipos conhecidos, um neutrino estéril não interagiria de forma alguma com a matéria, exceto através da gravidade, tornando-o excepcionalmente difícil de detectar.

Colocando o neutrino estéril à prova

Para investigar esta ideia, a equipa do MicroBooNE mediu neutrinos produzidos por dois feixes diferentes e analisou como eles mudavam à medida que viajavam. Após dez anos de recolha e interpretação de dados, os investigadores não encontraram nenhuma evidência que apoiasse a hipótese do neutrino estéril. Isso efetivamente encerra uma das explicações mais amplamente discutidas para o comportamento incomum dos neutrinos.

Mastbaum desempenhou um papel central na orientação dos esforços de análise do experimento como co-coordenador de ferramentas e técnicas de análise. Seu trabalho se concentrou em como os sinais brutos do detector foram convertidos em conclusões científicas significativas. Anteriormente, ele também liderou esforços para compreender o que a equipe chama de incertezas sistemáticas, que são possíveis fontes de erros nas medições.

Essas incertezas incluem como os neutrinos interagem com os núcleos atômicos, o número exato de neutrinos no feixe e como o próprio detector responde às partículas que chegam. A contabilização precisa desses fatores é essencial para tirar conclusões firmes dos dados.

Acertar estas incertezas é fundamental porque permite aos cientistas fazer declarações fortes e fiáveis ​​sobre o que os dados realmente mostram, disse Mastbaum.

Pesquisadores de Pós-Graduação e Precisão de Dados

Alunos de pós-graduação da Rutgers também contribuíram para o projeto. Panagiotis Englezos, estudante de doutorado no Departamento de Física e Astronomia da Rutgers School of Arts and Sciences, trabalhou na equipe de gerenciamento de dados MicroBooNE, ajudando a processar dados experimentais e a criar simulações que apoiaram a análise.

Keng Lin, outro aluno de doutorado do departamento, concentrou-se na validação do fluxo de neutrinos do feixe NuMI (Neutrinos do Injetor Principal) do Fermilab, que foi uma das duas fontes de neutrinos usadas no estudo. Juntos, esses esforços ajudaram a garantir a precisão e a confiabilidade dos resultados finais.

O que isso significa para a física

De acordo com Mastbaum, a descoberta é significativa porque remove um importante candidato para uma nova física além do Modelo Padrão. Embora o Modelo Padrão tenha sido muito bem-sucedido, ele não explica fenômenos como a matéria escura, a energia escura ou a gravidade. Os investigadores continuam a procurar pistas que apontem para além do modelo, e a eliminação de uma possibilidade ajuda a estreitar o campo.

Os cientistas da Rutgers também ajudaram a desenvolver métodos para medir como os neutrinos interagem no argônio líquido. Essas técnicas aprimoradas beneficiarão projetos futuros, incluindo o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

“Com modelagem cuidadosa e abordagens de análise inteligentes, a equipe do MicroBooNE extraiu uma quantidade incrível de informações deste detector”, disse Mastbaum. “Com a próxima geração de experiências, como a DUNE, já estamos a utilizar estas técnicas para abordar questões ainda mais fundamentais sobre a natureza da matéria e a existência do universo.”