Uma Nova Pesquisa Sobre Neutrinos Esteris

Um novo estudo publicado na Nature relata a busca direta mais precisa até agora por neutrinos estéreis. O trabalho é fruto da colaboração KATRIN, que analisou decaimentos radioativos de trítio para procurar por sinais sutis de um tipo adicional de neutrino.

O experimento KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) foi originalmente projetado para medir a massa dos neutrinos. Para isso, ele monitora cuidadosamente as energias dos elétrons liberados durante o decaimento β do trítio. Quando o trítio se decompõe, o neutrino leva consigo um pouco de energia, o que altera ligeiramente o padrão de energia dos elétrons emitidos. Se um neutrino estéril fosse produzido ocasionalmente, isso deixaria uma distorção reconhecível, ou “dobra”, 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 precisamente as energias dos elétrons e um detector que grava as partículas. Desde que começou a operar em 2019, o experimento coletou dados de decaimento β de trítio com uma precisão incomparável, buscando especificamente as pequenas desvios esperados de um neutrino estéril.

O Que os Dados Revelam Sobre Neutrinos Estéreis

No novo artigo da Nature, a equipe relata a busca mais sensível por neutrinos estéreis em decaimentos β de trítio até o momento. Entre 2019 e 2021, o KATRIN registrou cerca de 36 milhões de elétrons durante 259 dias de coleta de dados. Essas medições foram comparadas com modelos detalhados de decaimento β e alcançaram uma precisão superior a um por cento. A análise não encontrou evidências de um neutrino estéril.

Esse resultado descarta uma ampla gama de possibilidades que haviam sido sugeridas por anomalias anteriores. Essas anomalias incluíam déficits inesperados observados em experimentos com neutrinos de reator e medições com fonte de gálio, que haviam sugerido a existência de um quarto neutrino. As descobertas também contradizem completamente o experimento Neutrino-4, que havia reivindicado evidências para tal partícula.

A excepcionalmente baixa radiação de fundo 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 dos experimentos de oscilação, que observam como os neutrinos mudam de identidade após viajar 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 evidências contundentes contra a hipótese do neutrino estéril.

Como o KATRIN Complementa Outros Experimentos

“Nosso novo resultado é totalmente complementar a experimentos de reator, como o STEREO”, explica Thierry Lasserre (Max-Planck-Institut für Kernphysik) em Heidelberg, que liderou a análise. “Enquanto os experimentos de reator são mais sensíveis aos deslizamentos de massa entre estéril e ativo abaixo de alguns eV², o KATRIN explora a faixa de alguns até várias centenas de eV². Juntas, as duas abordagens agora consistentemente descartam neutrinos estéreis leves que se misturariam de forma notável com os tipos conhecidos de neutrinos.”

Olhando Para Frente: Mais Dados e Novos Detectores

O KATRIN continuará coletando dados até 2025, o que aumentará ainda mais 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 um fator de seis”, diz a co-porta-voz do KATRIN, Kathrin Valerius (KIT). “Isso nos permitirá ultrapassar os limites da precisão e investigar ângulos de mistura abaixo dos limites atuais.”

Uma atualização está planejada para 2026, quando o detector TRISTAN será adicionado ao experimento. O TRISTAN registrará o espectro completo de decaimento β do trítio com estatísticas sem precedentes. Ao contornar o espectrômetro principal e medir as energias dos elétrons diretamente, o TRISTAN poderá investigar neutrinos estéreis muito mais pesados. “Esta configuração de próxima geração abrirá uma nova janela para a faixa de massa de keV, onde os neutrinos estéreis podem até formar a matéria escura do Universo”, diz 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 em 7 países, refletindo o esforço global por trás de um dos experimentos de neutrinos mais precisos já construídos.