Físicos se aproximam do indescritível neutrino estéril
Os neutrinos são extraordinariamente difíceis de detectar, mas estão entre as partículas de matéria mais abundantes no Universo. De acordo com o Modelo Padrão da física de partículas, existem três tipos conhecidos. Esse quadro mudou quando os cientistas descobriram as oscilações dos neutrinos, um fenómeno que mostra que os neutrinos têm massa e podem alternar entre tipos à medida que se movem pelo espaço. Ao longo dos anos, vários resultados experimentais inexplicáveis alimentaram especulações sobre uma quarta variedade conhecida como neutrino estéril, que interagiria ainda mais fracamente do que as outras. A confirmação da sua existência marcaria uma grande mudança na nossa compreensão da física fundamental.
Um novo estudo publicado em Natureza relata a pesquisa direta mais precisa até agora por neutrinos estéreis. O trabalho vem da colaboração KATRIN, que analisou decaimentos radioativos do trítio em busca de sinais sutis de um tipo adicional de neutrino.
O experimento KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) foi originalmente projetado para medir a massa dos neutrinos. Ele faz isso rastreando cuidadosamente as energias dos elétrons liberados durante o decaimento β do trítio. Quando o trítio decai, o neutrino carrega consigo alguma energia, o que altera ligeiramente o padrão de energia dos elétrons emitidos. Se, em vez disso, às vezes fosse produzido um neutrino estéril, ele deixaria uma distorção reconhecível, ou “torção”, nesse padrão.
Localizado no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha, o KATRIN se estende por mais de 70 metros de comprimento. Sua configuração inclui uma poderosa fonte de trítio gasoso sem janelas, um espectrômetro de alta resolução que mede com precisão as energias dos elétrons e um detector que registra as partículas. Desde o início das operações em 2019, o experimento coletou dados de decaimento β do trítio com precisão incomparável, procurando especificamente os pequenos desvios esperados de um neutrino estéril.
O que os dados revelam sobre neutrinos estéreis
No novo Natureza artigo, a equipe relata a pesquisa de decaimento β do trítio mais sensível para neutrinos estéreis até o momento. Entre 2019 e 2021, o KATRIN registrou cerca de 36 milhões de elétrons em 259 dias de coleta de dados. Essas medições foram comparadas com modelos detalhados de decaimento β e alcançaram precisão melhor que um por cento. A análise não encontrou nenhuma evidência de um neutrino estéril.
Este resultado exclui uma ampla gama de possibilidades sugeridas por anomalias anteriores. Essas anomalias incluíam déficits inesperados observados em experimentos com neutrinos em reatores e medições com fontes de gálio, ambos sugerindo um quarto neutrino. As descobertas também contradizem completamente o experimento Neutrino-4, que reivindicou evidências de tal partícula.
O fundo excepcionalmente baixo do KATRIN significa que quase todos os elétrons detectados se originam do decaimento do trítio, permitindo uma medição muito limpa do espectro de energia. Ao contrário das experiências de oscilação, que observam como os neutrinos mudam de identidade após percorrerem uma certa distância, o KATRIN examina a distribuição de energia no momento em que o neutrino é criado. Como esses métodos investigam diferentes aspectos do comportamento dos neutrinos, eles se complementam e, juntos, fornecem fortes evidências contra a hipótese do neutrino estéril.
Como o KATRIN complementa outras experiências
“Nosso novo resultado é totalmente complementar aos experimentos com reatores como o STEREO”, explica Thierry Lasserre (Max-Planck-Institut für Kernphysik) em Heidelberg, que liderou a análise. “Embora os experimentos com reatores sejam mais sensíveis a divisões de massa ativas estéreis abaixo de alguns eV2KATRIN explora a faixa de algumas a várias centenas de eV². Juntas, as duas abordagens agora descartam consistentemente neutrinos estéreis leves que se misturariam visivelmente com os tipos de neutrinos conhecidos.”
Olhando para mais dados e novos detectores
O KATRIN continuará a recolher dados até 2025, o que melhorará ainda mais a sua sensibilidade e permitirá testes ainda mais rigorosos para neutrinos estéreis leves. “Até a conclusão da coleta de dados em 2025, o KATRIN terá registrado mais de 220 milhões de elétrons na região de interesse, aumentando as estatísticas em mais de seis vezes”, disse a co-porta-voz do KATRIN, Kathrin Valerius (KIT). “Isso nos permitirá ampliar os limites da precisão e dos ângulos de mistura da sonda abaixo dos limites atuais.”
Uma atualização está prevista para 2026, quando o detector TRISTAN será adicionado ao experimento. TRISTAN registrará todo o espectro de decaimento β do trítio com estatísticas sem precedentes. Ao contornar o espectrômetro principal e medir diretamente as energias dos elétrons, o TRISTAN será capaz de investigar neutrinos estéreis muito mais pesados. “Esta configuração da próxima geração abrirá uma nova janela para a gama de massa keV, onde neutrinos estéreis podem até formar a matéria escura do Universo,” afirma a co-porta-voz Susanne Mertens (Max-Planck-Institut für Kernphysik).
Um esforço científico internacional
A Colaboração KATRIN reúne cientistas de mais de 20 instituições de 7 países, refletindo o esforço global por trás de um dos experimentos de neutrinos mais precisos já construídos.
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