Os cientistas deram um passo mais perto de resolver um mistério duradouro da física – por que razão o Universo contém alguma matéria – graças a uma análise recentemente combinada de duas das principais experiências de neutrinos do mundo.
Ao reunir quase 16 anos de medições, a experiência NOvA nos Estados Unidos e a experiência T2K no Japão produziram a imagem mais precisa de como os neutrinos e os seus gémeos de antimatéria se transformam à medida que viajam. Os resultados, publicado publicado em 22 de outubro na revista Nature, aguça a busca por diferenças sutis no comportamento dessas partículas – diferenças que podem ajudar a explicar por que a matéria prevaleceu sobre a antimatéria no universo primitivo.
O principal suspeito de inclinar a balança é o neutrinouma partícula fantasmagórica, quase sem massa, que permeia o universo, mas raramente interage com alguma coisa. É por isso que os cientistas costumam se referir a elas como “partículas fantasmas”. Os físicos há muito se perguntam se os neutrinos e os antineutrinos se comportam de maneira diferente na forma como os experimentos podem detectá-los. Mesmo uma incompatibilidade sutil, conhecida como Violação de CPpoderia esclarecer como a matéria ganhou sua vantagem cósmica.
“Embora ainda haja mais para entender, a questão experimental crítica é clara: podemos ver esta violação de simetria nos neutrinos e, em caso afirmativo, qual é o seu tamanho?” Ryan Patersonprofessor de física do Instituto de Tecnologia da Califórnia e co-líder da equipe NOvA, disse ao Space.com.
Neutrinos mudam de ‘sabor’
Parte do que torna os neutrinos tão elusivos – e tão intrigantes – é a sua capacidade de mudar de identidade. Eles existem em três “sabores” e, à medida que se movem pelo espaço, oscilam entre esses tipos porque cada sabor é uma mistura de três estados de massa. À medida que os neutrinos viajam, os estados de massa subjacentes mudam, fazendo com que as partículas se transformem de um sabor para outro.
“Se você pensar nos sabores como morango, chocolate e baunilha, isso seria como encontrar sua casquinha de sorvete de morango transformada em chocolate no caminho para casa”, um recente Declaração Caltech explica.
Ao rastrear essas mudanças de sabor, os cientistas podem medir as pequenas diferenças de massa que governam as oscilações dos neutrinos – e, comparando os comportamentos dos neutrinos com os antineutrinos, eles podem investigar a violação do CP.
Para fazer isso, o experimento NOvA (abreviação de NuMI fora do eixo νe Aparência) disparou um feixe de neutrinos do Fermilab, perto de Chicago, para um detector a 800 quilômetros de distância, em Minnesota. Do outro lado do Pacífico, o experimento japonês T2K (abreviação de Tokai-to-Kamioka) enviou seu próprio feixe a 183 milhas (295 quilômetros) do Complexo de Pesquisa do Acelerador de Prótons do Japão em Tokai para o enorme detector Super-Kamiokande, enterrado 0,6 milhas (cerca de 1 quilômetro) abaixo de uma montanha em Kamioka.
Como os experimentos operam em distâncias e energias diferentes, cada um captura características complementares das oscilações dos neutrinos. A combinação de seus dados permite aos pesquisadores isolar os parâmetros sutis que controlam como os neutrinos se transformam.
Um resultado importante da análise conjunta é uma medição nitidamente refinada de um dos parâmetros de oscilação mais fundamentais, conhecido como divisão da massa do neutrino. A colaboração restringiu agora este valor a apenas 2%, tornando-o numa das medições mais precisas alguma vez reportadas.
“Isso está subjacente a todas as outras medições que fazemos”, disse Patterson. Ele acrescentou que este progresso também abre caminhos para determinar a hierarquia de massa dos neutrinos, a ordem ainda desconhecida dos três estados de massa dos neutrinos.
“A partir de hoje, aceitamos a existência de três famílias de neutrinos, cada uma associada a massas distintas,” Frederico Sanchezum físico experimental especializado em física de neutrinos e colaborador de longa data do T2K, disse ao Space.com. “Mas ainda nos falta uma compreensão fundamental da razão pela qual existem precisamente três, e não dois, quatro ou mais – e da razão pela qual as suas diferenças de massa assumem os valores específicos que observamos.”
“A hierarquia de massa não é apenas uma pedra angular para muitos cálculos e previsões teóricas, mas também fornece um resultado tangível que pode ser diretamente comparado com os modelos existentes”, acrescentou.
A hierarquia de massa afeta a forma como os neutrinos e os antineutrinos oscilam de maneira diferente – uma parte fundamental da busca pela violação do CP. No que é chamado de hierarquia normal, um dos três “sabores” conhecidos de neutrinos, os neutrinos do múon, transformam-se em neutrinos do elétron mais rapidamente do que seus equivalentes de antimatéria, os antineutrinos do múon, se transformam em antineutrinos do elétron. Na hierarquia invertida, esse padrão muda.
A nova análise conjunta não consegue dizer qual hierarquia a natureza prefere. Mas se os dados futuros mostrarem que a hierarquia está invertida, Patterson diz que o conjunto de dados atual já sugere que os neutrinos podem violar a simetria do CP. Se esses dados mostrarem que a hierarquia normal está correta, serão necessários ainda mais dados para separar os efeitos concorrentes.
“A física dos neutrinos é um campo estranho. É muito desafiador isolar efeitos,” Kendall Mahndisse professor da Michigan State University e co-porta-voz da T2K, no comunicado da Caltech. “A combinação de análises nos permite isolar um desses efeitos, e isso é um progresso”.
Uma nova ‘linguagem’ compartilhada para a ciência dos neutrinos
Além dos resultados imediatos da física, os pesquisadores dizem que uma das conquistas mais significativas da colaboração é o desenvolvimento de uma estrutura inicial comum – uma “linguagem” compartilhada sobre como as interações dos neutrinos são descritas nos experimentos.
Embora todos os experimentos sejam baseados na mesma física subjacente, cada um faz diferentes aproximações e escolhas metodológicas com base em seu design exclusivo de detector. Entre as suposições mais críticas estão aquelas que envolvem como os neutrinos interagem com a matéria, o que é essencial para reconstruir com precisão a sua energia, e quantos neutrinos são produzidos a uma determinada energia, disse Sanchez.
Mesmo pequenas diferenças nestes modelos podem afetar a interpretação dos padrões de oscilação, observou ele. Ao harmonizar estes pressupostos, a colaboração criou um modelo inicial que experiências futuras podem adotar para garantir que as suas conclusões sejam diretamente comparáveis.
“A precisão nessas medições é crítica, pois mesmo discrepâncias sutis podem sinalizar desvios do modelo – revelando potencialmente uma nova física”, disse Sanchez ao Space.com. “Quanto mais preciso for o acordo, mais confiantes estaremos de que nossa descrição está correta.”
O momento não poderia ser melhor. Os cientistas dizem que tal estrutura unificada será essencial para a próxima geração de experimentos ultrassensíveis – o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNA) em Illinois e Dakota do Sul, e o Hiper-Kamiokande no Japão – estão em construção e deverão iniciar operações em 2028. Esses detectores de próxima geração realizarão medições muito mais sensíveis do que NOvA ou T2K, oferecendo potencialmente evidências definitivas de violação de CP na próxima década.
E se os neutrinos realmente tratam a matéria e a antimatéria de forma diferente, os cientistas poderão finalmente descobrir a tão procurada razão pela qual o universo existe na forma que conhecemos hoje.
Um estudo sobre esses resultados foi publicado em 22 de outubro na revista Nature.
