Os neutrinos podem desvendar o motivo pelo qual a matéria persistiu após o Big Bang.

Uma Análise Conjunta Inédita

O avanço é fruto 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 longo alcance estão entre os mais sofisticados de sua categoria. Ao combinar seus resultados, os pesquisadores podem estudar melhor os neutrinos e suas contrapartes de antimatéria, oferecendo insights sobre por que o universo não se destruiu 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 para detectores massivos. Detectá-los é extraordinariamente difícil. De incontáveis partículas produzidas, apenas uma fração minúscula gera sinais mensuráveis. Detectores avançados e softwares poderosos são usados para reconstruir essas interações raras e estudar como os neutrinos mudam à medida que viajam.

A Universidade de Indiana tem desempenhado um papel importante nesse trabalho há décadas. Cientistas da IU contribuíram para a construção de sistemas de detecção, interpretação de dados e mentoria de jovens pesquisadores. Mark Messier, Professor Distinto e Chefe do departamento de Física da faculdade de Artes e Ciências da IU Bloomington, ocupa 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 (Emérito) e Jonathan Karty, do departamento de Química da IU.

Neutrinos e o Mistério da Matéria e Antimatéria

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

Um dos maiores enigmas da cosmologia é por que o universo é dominado por 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 primordial tivesse contido quantidades perfeitamente iguais de ambas, tudo teria desaparecido. Em vez disso, um leve desequilíbrio favoreceu a matéria, permitindo que galáxias, estrelas, planetas e vida se formassem.

Os cientistas acreditam que os neutrinos podem ajudar a explicar esse desequilíbrio. Os neutrinos existem em três variedades, ou “sabores”, conhecidos como elétron, múon e tau. À medida que se movem pelo espaço, podem trocar de um sabor para outro em um processo chamado oscilação. Se neutrinos e antineutrinos oscilam de maneira diferente, essa diferença poderia indicar por que a matéria prevaleceu no final.

NOvA e T2K Unem Forças

O novo estudo publicado na Nature se destaca porque mescla dados de dois observatórios de neutrinos de primeira linha. O NOvA (experimento de aparição de neutrinos NuMI Off-axis) envia um feixe de neutrinos a 810 quilômetros do Laboratório Nacional de 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 a 295 quilômetros do acelerador J-PARC em Tokai para o enorme detector Super-Kamiokande sob a montanha Ikenoyama.

Ao analisar seus resultados em conjunto, os pesquisadores melhoraram sua capacidade de medir o comportamento dos neutrinos. De acordo com um comunicado à imprensa da Nature, “A combinação das análises aproveita as sensibilidades complementares dos dois experimentos e demonstra o valor da colaboração.” A distância maior do NOvA através da Terra e o feixe mais curto, mas mais intenso do T2K, proporcionam forças complementares, permitindo que os cientistas comparem e refine suas medições com precisão excepcional.

A união dos conjuntos de dados permitiu que as equipes determinassem melhor os parâmetros que controlam as osciliações dos neutrinos, particularmente aqueles relacionados a diferenças entre neutrinos e antineutrinos. Os resultados focam na simetria CP (simetria carga-paridade), o princípio de que matéria e antimatéria deveriam seguir leis físicas idênticas, comportando-se como imagens espelhadas umas das outras.

No entanto, o universo observável é dominado em sua maioria por matéria, com muito pouca antimatéria remanescente do Big Bang. As descobertas combinadas sugerem que pode haver uma diferença em como os neutrinos e antineutrinos oscilam, indicando uma possível violação da simetria CP. Em termos simples, os neutrinos podem não se comportar exatamente como suas contrapartes de antimatéria. Essa sutil distinção pode ser uma pista crucial para entender por que a matéria sobreviveu.

“Fizemos progressos em uma questão realmente grande e aparentemente intratável: por que há algo em vez de nada?”, disse o Professor Messier. “E preparamos o terreno para programas de pesquisa futuros que visem usar neutrinos para enfrentar outras questões.”

Tecnologia, Treinamento e Colaboração Global

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

“Tem havido uma inovação tecnológica transformadora em todos os setores da sociedade que surgiu da física de altas energias”, observou Messier. “Além disso, cientistas da próxima geração se imergem em ciência de dados, aprendizado de máquina, inteligência artificial e em eletrônica, e depois vão para indústrias com as habilidades profundas que adquiriram enquanto tentavam responder a essas perguntas realmente difíceis.”

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

Estudantes de doutorado da IU que estão atualmente contribuindo para o estudo conjunto incluem Reed Bowles, Alex Chang, Hanyi Chen, Erin Ewart, Hannah LeMoine e Maria Manrique-Plata. Desde o início do NOvA 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 visão de como futuros projetos de física de partículas em larga escala podem operar. Para a Universidade de Indiana e seus colaboradores, os resultados abrem a porta para estudos ainda mais precisos que se baseiam nesse trabalho.

“Como físico, acho fascinante que uma grande questão, como por que há matéria no universo em vez de antimatéria, possa ser desmembrada em questões menores, passo a passo”, disse Messier. “Em vez de ficarmos paralisados pela enormidade, podemos realmente avançar em direção a uma resposta sobre por que estamos aqui no universo.”