Os investigadores da Universidade de Indiana ajudaram a fazer um avanço significativo na nossa compreensão do universo através de uma parceria entre duas importantes experiências internacionais com neutrinos. Os neutrinos são partículas extremamente pequenas, quase sem massa, que passam constantemente pelo espaço, pelos planetas e até pelos nossos corpos, mas raramente interagem com alguma coisa. Resultados publicados na revista a natureza Aproximar os cientistas da resposta a uma questão profunda: Porque é que o Universo contém matéria como estrelas, planetas e vida, em vez de ser vazio?
A descoberta vem de uma análise conjunta sem precedentes de dados do ensaio NOvA nos EUA e do T2K no Japão. Estes dois projetos de neutrinos de longa distância são os mais sofisticados do seu género. Ao combinar as suas descobertas, os investigadores podem estudar melhor os neutrinos e os seus homólogos de antimatéria, fornecendo informações sobre a razão pela qual o Universo não se autodestruiu imediatamente após o Big Bang.
Em ambos os experimentos, os cientistas usam aceleradores de partículas para criar feixes de neutrinos e enviá-los através de vastas distâncias subterrâneas até grandes detectores. Eles são extremamente difíceis de detectar. Das inúmeras partículas produzidas, apenas uma pequena fração deixa um sinal mensurável. Detectores avançados e software poderoso são então usados para reconstruir essas interações raras e estudar como os neutrinos mudam à medida que viajam.
A Universidade de Indiana desempenhou um papel fundamental neste trabalho durante décadas. Os cientistas da UI contribuíram para a construção de sistemas de detecção, interpretação de dados e orientação de jovens investigadores. Mark Messier, ilustre professor e presidente do Departamento de Física da IU Bloomington College of Arts and Sciences, tem desempenhado um papel de liderança no projeto desde 2006. Outros pesquisadores da IU incluem o físico Jon Urheim e James Musser (emérito), o professor de astronomia Stuart Mufson e o College of Eu’s Carty Karmas (Uni). na UI.
Neutrinos e o mistério da matéria e da antimatéria
Os neutrinos estão entre as partículas mais comuns no cosmos. Eles não carregam carga elétrica e quase não têm massa, o que os torna incrivelmente difíceis de detectar. Essa mesma propriedade, no entanto, torna-os ferramentas inestimáveis para explorar as leis mais profundas da física.
Um dos maiores enigmas da cosmologia é por que o universo é dominado pela matéria. O Big Bang deveria ter criado quantidades iguais de matéria e antimatéria. Quando matéria e antimatéria se encontram, elas se aniquilam em explosões de energia. Se houvesse quantidades exatamente iguais de ambos no universo primitivo, tudo teria desaparecido. Em vez disso, um ligeiro desequilíbrio favorece a matéria, permitindo a formação de galáxias, estrelas, planetas e vida.
Os cientistas acreditam que os neutrinos podem ajudar a explicar esse desequilíbrio. Os neutrinos existem em três variedades ou “sabores” conhecidos como elétrons, múons e tau. À medida que se movem pelo espaço, podem mudar de um sabor para outro num processo chamado oscilação. Se os neutrinos e os antineutrinos oscilarem de maneira diferente, essa diferença pode indicar por que a matéria acaba dominando.
NOvA e T2K unem forças
O novo estudo da Nature destaca-se porque combina dados de dois grandes observatórios de neutrinos. NOVA (experimento de aparência NumI fora do eixo νe) envia um feixe de neutrinos para um detector de 14.000 toneladas em Ash River, Minnesota, a 810 km do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi, perto de Chicago. Entretanto, o projecto T2K do Japão disparou um feixe do acelerador J-PARC em Tokai para o enorme detector Super-Kamiokande, a 295 quilómetros de distância, sob o Monte Ikenoyama.
Ao analisar os seus resultados em conjunto, os investigadores melhoraram a sua capacidade de medir como os neutrinos se comportam. Um comunicado de imprensa de a natureza“A combinação das análises aproveita as sensibilidades complementares dos dois testes e demonstra o valor da colaboração.” A longa distância do NOvA através da Terra e o feixe mais curto, mas mais intenso, do T2K fornecem energia complementar, permitindo aos cientistas comparar e refinar as suas medições com precisão excepcional.
O agrupamento dos conjuntos de dados permite à equipe determinar melhor os parâmetros que governam as oscilações dos neutrinos, particularmente em relação às diferenças entre neutrinos e antineutrinos. Os resultados centram-se na simetria CP (simetria de paridade de carga), o princípio de que matéria e antimatéria devem seguir leis físicas idênticas, comportando-se como imagens espelhadas uma da outra.
No entanto, o universo observável é composto por muita matéria, restando muito pouca antimatéria do Big Bang. Os resultados combinados sugerem que pode haver diferenças na forma como os neutrinos e antineutrinos oscilam, indicando uma possível violação da simetria do CP. Simplificando, os neutrinos não podem se comportar como suas contrapartes de antimatéria. Esta diferença subtil pode ser uma pista importante sobre a razão pela qual o objecto sobreviveu.
“Fizemos progressos nesta questão realmente grande e aparentemente complexa: por que existe algo em vez de nada?” Professor Messier disse. “E preparamos o terreno para futuros programas de pesquisa que visam usar neutrinos para abordar outras questões.”
Tecnologia, treinamento e colaboração global
Experimentos de física de partículas em grande escala geralmente oferecem benefícios que vão além da ciência básica. Tecnologias avançadas para detecção de neutrinos, incluindo eletrônica de alta velocidade e sistemas avançados de análise de dados, muitas vezes encontram aplicações práticas na indústria. O esforço colaborativo de pesquisa é apoiado por financiamento do Departamento de Energia dos EUA.
“Houve inovações tecnológicas transformadoras em todos os setores da sociedade que vieram da física de altas energias”, observou Messier. “Além disso, a próxima geração de cientistas mergulhará na ciência de dados, aprendizado de máquina, inteligência artificial e eletrônica, e então entrará na indústria com as habilidades profundas que adquiriram ao tentar responder a essas questões difíceis”.
A colaboração NOvA e T2K envolve centenas de cientistas de mais de uma dúzia de países nos Estados Unidos, Europa e Japão. A sua análise partilhada demonstra o poder científico da colaboração internacional.
UI Ph.D. Os alunos que atualmente contribuem para a pesquisa colaborativa incluem Reed Bowles, Alex Chang, Hani Chen, Erin Ewart, Hannah Lemoine e Maria Manrique-Plata. Desde que o NOvA começou em 2014, Messier e seus colegas também orientaram muitos estudantes de graduação e pós-graduação da IU que trabalham no experimento.
A parceria fornece uma prévia de como futuros projetos de física de partículas de grande porte poderão funcionar. Para a Universidade de Indiana e seus colaboradores, as descobertas abrem portas para pesquisas mais específicas que se baseiam neste trabalho.
“Como físico, acho fascinante que uma grande questão, como por que o universo tem matéria em vez de antimatéria, possa ser dividida em questões menores, passo a passo”, disse Messier. “Em vez de ficarmos chocados com a sua enormidade, podemos progredir em direção a respostas sobre por que realmente existimos no universo.”
