Os resultados foram publicados na Nature e provêm do experimento MicroBooNE, no Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab) do Departamento de Energia dos EUA, em Batavia, Illinois. (O acrônimo MicroBooNE significa “Experimento de Neutrinos Micro Booster”).

Um Teste de Uma Década no Fermilab

O MicroBooNE utiliza um grande detector de argônio líquido e observações de dois feixes de neutrinos distintos. Ao rastrear cuidadosamente o comportamento dos neutrinos, os cientistas conseguiram descartar a existência de um único neutrino estéril com 95% de certeza.

Andrew Mastbaum, professor associado no Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências da Rutgers e membro da equipe de liderança do MicroBooNE, descreveu a descoberta como uma mudança significativa para o campo.

“Esse resultado vai estimular ideias inovadoras em toda a pesquisa sobre neutrinos para entender o que realmente está acontecendo”, disse ele. “Conseguimos descartar um grande suspeito, mas isso não resolve um mistério.”

Por Que os Neutrinos São Importantes

Os neutrinos são partículas extremamente pequenas que raramente interagem com a matéria. Eles podem atravessar planetas inteiros sem desacelerar. De acordo com o Modelo Padrão, que é a estrutura principal na física de partículas, existem três tipos conhecidos de neutrinos: elétron, múon e tau. Essas partículas podem se transformar de um tipo para outro por meio de um fenômeno conhecido como oscilação.

No entanto, em experimentos anteriores, os cientistas observaram um comportamento dos neutrinos que não correspondia completamente às previsões do Modelo Padrão. Para explicar esses resultados, pesquisadores sugeriram a existência de um quarto tipo de neutrino chamado neutrino estéril. Ao contrário dos tipos conhecidos, um neutrino estéril não interagiria com a matéria, exceto por meio da gravidade, tornando-o excepcionalmente difícil de detectar.

Colocando o Neutrino Estéril à Prova

Para investigar essa ideia, a equipe do MicroBooNE mediu neutrinos produzidos por dois feixes diferentes e analisou como eles mudaram durante o percurso. Após dez anos coletando e interpretando dados, os pesquisadores não encontraram evidências que apoiassem a hipótese do neutrino estéril. Isso efetivamente encerra uma das explicações mais discutidas para o comportamento incomum dos neutrinos.

Mastbaum desempenhou um papel central na orientação dos esforços de análise do experimento como co-coordenador de ferramentas e técnicas analíticas. Seu trabalho foi focado em como os sinais brutos do detector foram convertidos em conclusões científicas significativas. Ele também liderou esforços anteriores para compreender o que a equipe chama de incertezas sistemáticas, que são possíveis fontes de erro nas medições.

Essas incertezas incluem como os neutrinos interagem com núcleos atômicos, o número exato de neutrinos no feixe e como o próprio detector responde às partículas que se aproximam. Contabilizar com precisão esses fatores é essencial para tirar conclusões firmes a partir dos dados.

Conseguir acertar essas incertezas é crucial porque permite que os cientistas façam declarações fortes e confiáveis sobre o que os dados realmente mostram, afirmou Mastbaum.

Pesquisadores de Pós-Graduação e Precisão dos Dados

Estudantes de pós-graduação da Rutgers também contribuíram para o projeto. Panagiotis Englezos, um estudante de doutorado no Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências da Rutgers, trabalhou na Equipe de Gestão de Dados do MicroBooNE, ajudando a processar dados experimentais e criar simulações que apoiaram a análise.

Keng Lin, outro estudante de doutorado no departamento, focou na validação do fluxo de neutrinos do feixe NuMI (Neutrinos do Main Injector) do Fermilab, que foi uma das duas fontes de neutrinos utilizadas no estudo. Juntas, esses esforços ajudaram a garantir a precisão e a confiabilidade dos resultados finais.

O Que Isso Significa para a Física

De acordo com Mastbaum, a descoberta é significativa porque elimina um dos principais candidatos a novas físicas além do Modelo Padrão. Embora o Modelo Padrão tenha sido muito bem-sucedido, ele não explica fenômenos como a matéria escura, a energia escura ou a gravidade. Os pesquisadores continuam a buscar pistas que apontem para além do modelo, e eliminar uma possibilidade ajuda a restringir o campo.

Cientistas da Rutgers também ajudaram a aprimorar métodos de medição de como os neutrinos interagem no argônio líquido. Essas técnicas melhoradas beneficiarão projetos futuros, incluindo o Experimento de Neutrinos do Subterrâneo Profundo (DUNE).

“Com modelagem cuidadosa e abordagens de análise engenhosas, a equipe do MicroBooNE extraiu uma quantidade incrível de informações desse detector,” disse Mastbaum. “Com a próxima geração de experimentos, como o DUNE, já estamos usando essas técnicas para abordar questões ainda mais fundamentais sobre a natureza da matéria e a existência do universo.”