Neutrinos poderiam explicar por que a matéria sobreviveu ao Big Bang

A descoberta vem de uma análise conjunta sem precedentes de dados do experimento NOvA nos Estados Unidos e do T2K no Japão. Esses dois projetos de neutrinos de longa distância estão entre os mais sofisticados do gênero. Ao combinar os seus resultados, os investigadores podem estudar melhor os neutrinos e os seus homólogos de antimatéria, oferecendo uma visão sobre a razão pela qual o Universo não se autodestruiu imediatamente após o Big Bang.

Em ambos os experimentos, os cientistas geram feixes de neutrinos usando aceleradores de partículas e os enviam através de vastas distâncias subterrâneas até detectores massivos. Detectá-los é extraordinariamente difícil. Das inúmeras partículas produzidas, apenas uma pequena fração deixa sinais mensuráveis. Detectores avançados e software poderoso são então usados ​​para reconstruir essas interações raras e estudar como os neutrinos mudam à medida que viajam.

A Universidade de Indiana desempenhou um papel importante neste trabalho durante décadas. Os cientistas da UI contribuíram para a construção de sistemas de detecção, interpretação de dados e orientação de jovens pesquisadores. Mark Messier, distinto professor e presidente do departamento de física da Faculdade de Artes e Ciências da IU Bloomington, ocupou cargos de liderança no projeto desde 2006. Outros pesquisadores da IU envolvidos incluem os físicos Jon Urheim e James Musser (emérito), o professor de astronomia Stuart Mufson (Emertius) e Jonathan Karty no departamento de Química da Faculdade da IU.

Neutrinos e o mistério da matéria antimatéria

Os neutrinos estão entre as partículas mais comuns no cosmos. Eles não carregam carga elétrica e quase não têm massa, o que os torna incrivelmente difíceis de detectar. Essa mesma propriedade, no entanto, torna-os ferramentas inestimáveis ​​para investigar as leis mais profundas da física.

Um dos maiores enigmas da cosmologia é por que o universo é dominado pela matéria. O Big Bang deveria ter criado quantidades iguais de matéria e antimatéria. Quando matéria e antimatéria se encontram, elas se aniquilam em uma explosão de energia. Se o universo primitivo tivesse contido quantidades perfeitamente iguais de ambos, tudo teria desaparecido. Em vez disso, um ligeiro desequilíbrio favoreceu a matéria, permitindo a formação de galáxias, estrelas, planetas e vida.

Os cientistas acreditam que os neutrinos podem ajudar a explicar esse desequilíbrio. Os neutrinos existem em três variedades, ou “sabores”, conhecidas como elétron, múon e tau. À medida que se movem pelo espaço, podem mudar de um sabor para outro num processo chamado oscilação. Se os neutrinos e os antineutrinos oscilarem de forma diferente, essa diferença poderia apontar a razão pela qual a matéria acabou por prevalecer.

NOvA e T2K unem forças

O novo estudo da Nature destaca-se porque combina dados de dois observatórios de neutrinos de primeira linha. NOvA (o experimento NuMI Off-axis νe Appearance) envia um feixe de neutrinos a 810 quilômetros do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi, perto de Chicago, para um detector de 14.000 toneladas em Ash River, Minnesota. Enquanto isso, o projeto T2K do Japão dispara um feixe de 295 quilômetros do acelerador J-PARC em Tokai até o enorme detector Super-Kamiokande abaixo do Monte Ikenoyama.

Ao analisar os seus resultados em conjunto, os investigadores melhoraram a sua capacidade de medir como os neutrinos se comportam. De acordo com um comunicado de imprensa da Natureza“Combinar as análises aproveita as sensibilidades complementares dos dois experimentos e demonstra o valor da colaboração.” A maior distância do NOvA através da Terra e o feixe mais curto, mas mais intenso, do T2K proporcionam forças complementares, permitindo aos cientistas comparar e refinar as suas medições com uma precisão excepcional.

O agrupamento dos conjuntos de dados permitiu às equipes determinar melhor os parâmetros que controlam as oscilações dos neutrinos, particularmente aqueles relacionados às diferenças entre neutrinos e antineutrinos. Os resultados centram-se na simetria CP (simetria de paridade de carga), o princípio de que matéria e antimatéria devem seguir leis físicas idênticas, comportando-se como imagens espelhadas uma da outra.

No entanto, o universo observável é esmagadoramente feito de matéria, restando muito pouca antimatéria do Big Bang. As descobertas combinadas sugerem que pode haver uma diferença na forma como os neutrinos e antineutrinos oscilam, indicando uma possível violação da simetria do CP. Em termos simples, os neutrinos podem não se comportar exatamente como os seus homólogos de antimatéria. Essa distinção subtil pode ser uma pista crucial para a razão pela qual a matéria sobreviveu.

“Fizemos progressos nesta questão realmente grande e aparentemente intratável: por que existe algo em vez de nada?” disse o professor Messier. “E preparamos o terreno para futuros programas de pesquisa que visam usar neutrinos para resolver outras questões.”

Tecnologia, treinamento e colaboração global

Experimentos de física de partículas em grande escala geralmente produzem benefícios que vão além da ciência fundamental. As tecnologias desenvolvidas para detectar neutrinos, incluindo a electrónica de alta velocidade e sistemas avançados de análise de dados, encontram frequentemente aplicações práticas na indústria. O esforço conjunto de pesquisa é apoiado por financiamento do Departamento de Energia dos EUA.

“Houve inovações tecnológicas transformadoras em todos os setores da sociedade resultantes da física de altas energias”, observou Messier. “Além disso, os cientistas da próxima geração mergulham na ciência de dados, na aprendizagem de máquinas, na inteligência artificial e na eletrónica, e depois entram nas indústrias com as profundas competências que adquiriram ao tentar responder a estas questões realmente difíceis.”

As colaborações NOvA e T2K envolvem centenas de cientistas de mais de uma dúzia de países nos Estados Unidos, Europa e Japão. A sua análise partilhada demonstra o poder científico da cooperação internacional.

UI Ph.D. os alunos que atualmente contribuem para o estudo conjunto incluem Reed Bowles, Alex Chang, Hanyi Chen, Erin Ewart, Hannah LeMoine e Maria Manrique-Plata. Desde que o NOvA começou em 2014, Messier e seus colegas também orientaram muitos estudantes de graduação e pós-graduação da IU que trabalham no experimento.

A parceria oferece uma prévia de como futuros projetos de física de partículas de grande porte poderão operar. Para a Universidade de Indiana e seus colaboradores, os resultados abrem portas para estudos ainda mais precisos que se baseiam neste trabalho.

“Como físico, acho fascinante que uma grande questão, como por que existe matéria no universo em vez de antimatéria, possa ser dividida em questões menores, passo a passo”, disse Messier. “Em vez de ficarmos pasmos com a enormidade disso, podemos realmente progredir em direção a uma resposta sobre por que estamos aqui no universo.”