Os físicos pensaram que esta partícula misteriosa poderia explicar tudo. Veja o que aconteceu

“Os neutrinos são partículas fundamentais indescritíveis que são difíceis de detectar experimentalmente, mas estão entre as partículas mais abundantes no universo”, disse o professor assistente de física da UC Santa Bárbara, David Caratelli, que atuou como coordenador de física do experimento durante a análise. Experiências anteriores, explicou ele, produziram resultados que não correspondiam ao conhecimento existente, levando os cientistas a especular sobre a presença de um quarto neutrino – um neutrino “estéril”. As novas medições do MicroBooNE, no entanto, mostram que esta ideia não se alinha com os dados.

Segundo Caratelli, eliminar a hipótese do neutrino estéril representa um grande avanço. O resultado abre caminho para a exploração de novas possibilidades e ajuda a preparar o campo para experimentos maiores e mais avançados com neutrinos.

Esta pesquisa recebeu apoio parcial do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA e da National Science Foundation.

Por que os neutrinos ainda confundem os físicos

O Modelo Padrão fornece uma estrutura bem testada para a compreensão das forças e partículas fundamentais que moldam o universo. Mesmo assim, deixa algumas questões importantes sem resposta.

“Sabemos que o Modelo Padrão faz um excelente trabalho ao descrever uma série de fenômenos no mundo natural”, disse Matthew Toups, cientista sênior do Fermilab e co-porta-voz da MicroBooNE. “E, ao mesmo tempo, sabemos que está incompleto. Não leva em conta a matéria escura, a energia escura ou a gravidade.”

Os neutrinos representam uma dessas lacunas. Quando o Modelo Padrão foi desenvolvido, presumia-se que os neutrinos não tinham massa. Essa suposição começou a ser desvendada no final do século XX, quando experiências que observaram neutrinos vindos do espaço revelaram um comportamento inesperado. Certos tipos de neutrinos pareciam desaparecer à medida que viajavam.

Os cientistas perceberam que os neutrinos vêm em três formas, conhecidas como sabores de elétron, múon e tau, e que esses sabores podem mudar à medida que os neutrinos se movem pelo espaço. Este processo, denominado oscilação, implica que os neutrinos devem ter massa.

“A única maneira de esta oscilação acontecer é se os neutrinos tiverem massa”, explicou Caratelli. “Isso é algo que o Modelo Padrão não previu.”

A hipótese do neutrino estéril

Na década de 1990, novos experimentos aprofundaram o mistério. Estudos no Detector de Neutrinos Cintilador Líquido (LSND) no Laboratório Nacional de Los Alamos e mais tarde no experimento MiniBooNE no Fermilab observaram neutrinos de múon se transformando em neutrinos de elétrons de maneiras que não poderiam ser explicadas usando apenas os três tipos conhecidos de neutrinos.

“A explicação mais popular para estas anomalias nos últimos 30 anos tem sido um hipotético neutrino estéril”, disse Justin Evans, professor da Universidade de Manchester e co-porta-voz da MicroBooNE.

Ao contrário dos neutrinos conhecidos, que interagem com outras partículas através da força eletrofraca, um neutrino estéril não interagiria com a matéria da mesma forma. Isso tornou extremamente difícil a detecção direta.

Como MicroBooNE testou a teoria

Para examinar essas anomalias mais de perto, os cientistas construíram o MicroBooNE no Fermilab, um detector projetado para capturar interações de neutrinos com detalhes sem precedentes.

Entre 2015 e 2021, o experimento registrou neutrinos produzidos por dois feixes no local do Fermilab. Esses feixes enviaram neutrinos para uma câmara de projeção temporal de argônio líquido, onde suas interações puderam ser observadas com alta precisão.

“Produzimos neutrinos de um tipo e colocamos nossos detectores em posições ideais para que pudéssemos maximizar a probabilidade de encontrar esse neutrino estéril”, disse Caratelli. “Na prática, o que fizemos foi produzir neutrinos de múon e se existisse um neutrino estéril, veríamos o aparecimento de neutrinos de elétrons.”

A equipe comparou o número de neutrinos de elétrons detectados com previsões baseadas em modelos que incluíam um neutrino estéril e modelos que não o incluíam. “Basicamente, o que procurávamos é o efeito do aparecimento de novos neutrinos de elétrons causado por esse fenômeno de oscilação”.

Os resultados não mostraram tal efeito. Os dados corresponderam às expectativas de um universo sem neutrinos estéreis, descartando efetivamente a existência da partícula. Esta conclusão baseia-se em trabalhos anteriores liderados pelo grupo da UC Santa Bárbara e publicados na revista Physics Review Letters no verão de 2025, que também não encontraram excesso de neutrinos de elétrons.

Um ponto de viragem para a pesquisa de neutrinos

Embora a explicação do neutrino estéril tenha sido deixada de lado, as anomalias originais observadas pelo LSND e pelo MiniBooNE não foram totalmente resolvidas.

“Acho que é uma mudança de paradigma para nós”, disse Caratelli. Com a hipótese de décadas já não viável, os investigadores estão agora a explorar um conjunto mais amplo de ideias que poderiam explicar as estranhas observações e potencialmente lançar luz sobre questões mais profundas, incluindo a natureza da matéria escura.

“Temos um cardápio muito mais variado de opções que estamos investigando”, disse Caratelli. As ferramentas e técnicas refinadas durante o experimento MicroBooNE estão agora sendo aplicadas a estudos mais complexos com múltiplos detectores.

Uma ideia alternativa envolve fótons que podem ter sido identificados incorretamente em experimentos anteriores ou que poderiam apontar para uma nova física. O professor de física da UC Santa Bárbara e colaborador do MicroBooNE, Xiao Luo, publicou recentemente uma análise inicial examinando essa possibilidade. Espera-se que trabalhos futuros dentro do programa Short Baseline Neutrino do Fermilab explorem essas questões com mais detalhes.

Olhando para a próxima geração de experimentos

Ao mesmo tempo, avança a construção do Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Construído a 1,6 km abaixo da superfície no Centro de Pesquisa Subterrânea de Sanford, em Dakota do Sul, o DUNE será o maior detector de neutrinos já criado. Ele receberá um feixe intenso de neutrinos de alta energia enviado através da Terra pelo Fermilab, a 1.300 quilômetros de distância.

“O MicroBooNE é grande – é do tamanho de um ônibus escolar. Mas o DUNE é da escala de um campo de futebol”, disse Caratelli. A escala e a precisão do DUNE podem ajudar a responder a questões não só sobre o comportamento dos neutrinos, mas também sobre a razão pela qual o Universo contém mais matéria do que antimatéria.

Segundo Caratelli, o MicroBooNE desempenhou um papel fundamental na preparação dos cientistas para o que vem a seguir.

“Uma das principais coisas que o MicroBooNE fez foi nos dar confiança e nos ensinar como usar essa tecnologia para medir neutrinos com alta precisão”, disse ele. “O que aprendemos com o MicroBooNE sobre como analisar os dados que chegam ao detector se aplica diretamente ao DUNE.”