Pistas Ocultas em Partículas Fantasmagóricas Podem Revelar a Razão de Nossa Existência

Experimentos em Neutrinos se Unem

Pela primeira vez, dois dos maiores experimentos de neutrinos do mundo — T2K no Japão e NOvA nos Estados Unidos — combinaram seus dados para alcançar uma precisão sem precedentes no estudo dos neutrinos, partículas quase invisíveis que preenchem o cosmos, mas raramente interagem com qualquer coisa.

A análise conjunta, publicada recentemente na Nature, oferece as medições mais precisas até agora de como os neutrinos mudam de um tipo para outro enquanto viajam pelo espaço. Este marco abre caminho para futuras pesquisas que podem aprofundar nossa compreensão da evolução do universo — ou até desafiar teorias científicas atuais.

Kendall Mahn, professor de física e astronomia na Universidade Estadual de Michigan e co-porta-voz do T2K, ajudou a coordenar a colaboração. Unindo as forças de ambos os experimentos, as equipes alcançaram resultados que nenhuma delas teria conseguido sozinha.

“Esta foi uma grande vitória para nossa área,” disse Mahn. “Isso mostra que podemos realizar esses testes, podemos analisar os neutrinos com mais detalhes e podemos ter sucesso ao trabalharmos juntos.”

Por Que a Matéria Existe

Segundo os físicos, o universo primitivo deveria ter contido quantidades iguais de matéria e antimateria. Se isso tivesse sido o caso, os dois teriam se aniquilado completamente. No entanto, a matéria de alguma forma sobreviveu — e não temos uma razão clara para isso.

Muitos pesquisadores acreditam que a resposta pode estar escondida no comportamento estranho dos neutrinos, partículas diminutas que nos atravessam constantemente, mas raramente interagem. Compreender um processo chamado oscilação de neutrinos, onde essas partículas mudam de “sabores” enquanto se movem, pode ajudar a explicar por que a matéria triunfou sobre a antimateria.

“Os neutrinos não são bem compreendidos,” disse Joseph Walsh, associado de pós-doutorado da MSU, que trabalhou no projeto. “Suas massas muito pequenas significam que não interagem com frequência. Centenas de trilhões de neutrinos do sol passam pelo seu corpo a cada segundo, mas quase todos passarão direto. Precisamos produzir fontes intensas ou usar detectores muito grandes para dar a eles uma chance suficiente de interagir para que possamos vê-los e estudá-los.”

Como os Experimentos Funcionam

Ambos os experimentos, T2K e NOvA, são conhecidos como experimentos de longo alcance. Cada um envia um feixe concentrado de neutrinos em direção a dois detectores — um perto da fonte e outro a centenas de milhas de distância. Comparando os resultados de ambos os detectores, os cientistas podem rastrear como os neutrinos mudam ao longo do caminho.

Como os experimentos diferem em design, energia e distância, a combinação de seus dados oferece uma imagem mais completa.

“Ao fazer uma análise conjunta, você pode obter uma medição mais precisa do que cada experimento pode produzir sozinho,” disse a colaboradora do NOvA, Liudmila Kolupaeva. “Como regra, os experimentos em física de altas energias têm designs diferentes, mesmo que tenham o mesmo objetivo científico. Análises conjuntas nos permitem usar características complementares desses designs.”

O Enigma da Massa do Neutrino

Um foco principal do estudo é algo chamado “ordenação da massa do neutrino,” que pergunta qual tipo de neutrino é o mais leve. Isso não é tão simples quanto pesar partículas em uma balança. Os neutrinos existem em três estados de massa, e cada sabor de neutrino é, na verdade, uma mistura desses estados.

Os cientistas estão tentando determinar se a disposição das massas segue um padrão “normal” (dois leves e um pesado) ou um “invertido” (dois pesados e um leve). No caso normal, os neutrinos múon são mais propensos a se tornarem neutrinos elétrons, enquanto seus parceiros de antimateria são menos propensos a fazê-lo. O oposto ocorre no padrão invertido.

Um desequilíbrio entre neutrinos e seus contrapontos de antimateria pode significar que essas partículas violam um princípio conhecido como simetria carga-paridade (CP) — significando que não se comportam exatamente da mesma forma que seus opostos espelhados. Tal violação poderia explicar por que a matéria domina o universo.

O Que os Resultados Mostram

Os resultados combinados do NOvA e do T2K ainda não apontam decisivamente para nenhuma ordenação de massa. Se estudos futuros confirmarem a ordenação normal, os cientistas ainda precisarão de mais dados para esclarecer se a simetria CP é quebrada. Mas se a ordenação invertida se mostrar correta, essa pesquisa sugere que os neutrinos poderiam, de fato, violar a simetria CP, oferecendo uma pista poderosa sobre por que a matéria existe.

Se os neutrinos não violarem a simetria CP, os físicos perderiam uma de suas explicações mais fortes para a existência da matéria.

Embora esses resultados não resolvam o mistério dos neutrinos de imediato, eles ampliam o que os cientistas sabem sobre essas partículas esquivas e demonstram a força da colaboração internacional em física.

A colaboração do NOvA inclui mais de 250 cientistas e engenheiros de 49 instituições em oito países. A equipe do T2K envolve mais de 560 membros de 75 instituições em 15 nações. Os dois grupos começaram a trabalhar juntos nesta análise em 2019, unindo oito anos de dados do NOvA com uma década de resultados do T2K. Ambos os experimentos continuam a coletar novas informações para futuras atualizações.

“Esses resultados são fruto de uma cooperação e entendimento mútuo de duas colaborações únicas, ambas envolvendo muitos especialistas em física de neutrinos, tecnologias de detecção e técnicas de análise, trabalhando em ambientes muito diferentes, utilizando métodos e ferramentas distintos,” disse Tomáš Nosek, colaborador do T2K.