Após anos de investigação cuidadosa, os pesquisadores que trabalham no Experimento Micro Booster Neutrino (MicroBUNE) determinaram que uma partícula há muito hipotetizada conhecida como neutrinos estéreis não existe. Esta partícula proposta foi amplamente discutida como uma possível resposta a um problema não resolvido na física de partículas. Relatando as suas descobertas na revista Nature, as descobertas da equipa estreitam significativamente o leque de explicações para um dos mistérios mais duradouros que envolve os neutrinos.
“Os neutrinos são partículas elementares evasivas que são difíceis de detectar experimentalmente, mas estão entre as partículas mais abundantes no universo”, disse o professor assistente de física da UC Santa Bárbara, David Caratelli, que atuou como coordenador de física do experimento durante a análise. Experiências anteriores, explicou ele, produziram resultados que não correspondiam ao conhecimento existente, levando os cientistas a levantar a hipótese da presença de um quarto neutrino – um neutrino “estéril”. As novas medições do MicroBooNE, no entanto, mostram que esta suposição não se alinha com os dados.
Segundo Caratelli, eliminar a hipótese do neutrino estéril representa um grande avanço. O resultado abre caminho para a exploração de novas possibilidades e ajuda a preparar o campo para experimentos maiores e mais avançados com neutrinos.
Esta pesquisa recebeu apoio parcial do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA e da National Science Foundation.
Por que os neutrinos ainda confundem os físicos
O Modelo Padrão fornece uma estrutura bem testada para a compreensão das forças e partículas fundamentais que moldam o universo. No entanto, não responde a algumas questões-chave.
“Sabemos que o Modelo Padrão faz um excelente trabalho ao descrever muitos fenômenos do mundo natural”, disse Matthew Toops, cientista sênior do Fermilab e co-porta-voz da Microbun. “E, ao mesmo tempo, sabemos que está incompleto. Não leva em conta a matéria escura, a energia escura ou a gravidade.”
Os neutrinos representam uma dessas lacunas. Quando o Modelo Padrão foi desenvolvido, presumia-se que os neutrinos não tinham massa. Esta hipótese começou a ser desvendada no final do século XX, quando experiências que observaram neutrinos do espaço revelaram um comportamento inesperado. Alguns tipos de neutrinos pareciam desaparecer à medida que viajavam.
Os cientistas perceberam que os neutrinos vêm em três formas, conhecidas como sabores de elétron, múon e tau, e que esses sabores podem mudar à medida que o neutrino se move pelo espaço. Este processo, denominado oscilação, implica que os neutrinos devem ter massa.
“A única maneira de essas oscilações ocorrerem é se os neutrinos tiverem massa”, explicou Caratelli. “Isso é algo que o modelo padrão não previu.”
A hipótese do neutrino estéril
Na década de 1990, novos experimentos aprofundaram o mistério. Experimentos no Detector de Neutrinos Cintilador Líquido (LSND) no Laboratório Nacional de Los Alamos e mais tarde no minibun do Fermilab mostraram neutrinos de múon convertendo-se em neutrinos de elétrons de uma forma que não poderia ser explicada usando apenas os três tipos de neutrinos conhecidos.
“A explicação mais popular para estas anomalias nos últimos 30 anos tem sido um hipotético neutrino estéril”, diz Justin Evans, professor da Universidade de Manchester e co-porta-voz da Microbun.
Ao contrário dos neutrinos conhecidos, que interagem com outras partículas através da força eletrofraca, um neutrino estéril não interagirá com a matéria da mesma maneira. Isto torna a detecção direta extremamente difícil.
Como MicroBooNE testou a teoria
Para examinar essas anomalias mais de perto, os cientistas do Fermilab construíram o MicroBooNE, um detector projetado para capturar interações de neutrinos com detalhes sem precedentes.
Entre 2015 e 2021, o experimento registrou neutrinos produzidos por dois feixes no local do Fermilab. Esses feixes enviaram os neutrinos para uma câmara de projeção temporal de argônio líquido, onde suas interações puderam ser observadas com alta precisão.
“Criamos um tipo de neutrino e posicionamos nossos detectores de maneira ideal para maximizar a chance de encontrar esse neutrino estéril”, disse Caratelli. “Tradicionalmente, o que fizemos foi criar neutrinos do múon e, se houvesse um neutrino estéril, veríamos o aparecimento de um neutrino do elétron.”
A equipe comparou o número de neutrinos de elétrons detectados com previsões baseadas em modelos que não incluíam um neutrino estéril e modelos que não incluíam. “Basicamente, o que procurávamos era o efeito do aparecimento de novos neutrinos de elétrons causados por esse fenômeno de oscilação”.
Os resultados não mostram tal efeito. Os dados correspondem às expectativas de um universo sem neutrinos estéreis, descartando efetivamente a existência da partícula. Esta conclusão baseia-se em trabalhos anteriores liderados por um grupo da UC Santa Bárbara e publicados na edição do verão de 2025 da Physical Review Letters, que também não encontrou excesso de neutrinos de elétrons.
Um ponto de viragem para a investigação de neutrinos
Embora a explicação do neutrino estéril seja deixada de lado, as principais discrepâncias observadas pelo LSND e pelo MiniBooNE não foram totalmente resolvidas.
“Acho que é uma mudança de paradigma para nós”, disse Caratelli. Com hipóteses de décadas já não válidas, os investigadores estão agora a explorar um conjunto mais amplo de ideias que poderiam explicar observações estranhas e potencialmente lançar luz sobre questões mais profundas, incluindo a natureza da matéria escura.
“Temos um menu de opções muito mais diversificado que estamos investigando”, disse Caratelli. Ferramentas e técnicas refinadas durante o experimento MicroBooNE estão agora sendo aplicadas a estudos mais complexos com múltiplos detectores.
Uma hipótese alternativa envolve fótons que foram identificados incorretamente em experimentos anteriores ou que podem apontar para uma nova física. O professor de física da UC Santa Bárbara e colaborador do MicroBooNE, Xiao Luo, publicou recentemente uma análise preliminar examinando essa possibilidade. Espera-se que trabalhos futuros no Programa Short Baseline Neutrino do Fermilab explorem essas questões com mais detalhes.
Olhando para a próxima geração de experimentos
Ao mesmo tempo, a construção do Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) está a progredir. Construído a 1,6 km abaixo da superfície no Centro de Pesquisa Subterrânea de Sanford, em Dakota do Sul, o DUNE será o maior detector de neutrinos já construído. Ele receberá um feixe intenso de neutrinos de alta energia enviado através da Terra pelo Fermilab, a 1.300 quilômetros de distância.
“Microbun é grande – é do tamanho de um ônibus escolar. Mas DUNE é do tamanho de um campo de futebol”, disse Caratelli. A escala e a precisão do DUNE podem ajudar a responder a questões não só sobre o comportamento dos neutrinos, mas também sobre a razão pela qual o Universo tem mais matéria do que antimatéria.
Segundo Caratelli, o MicroBooNE desempenhou um papel importante na preparação dos cientistas para o que vem a seguir.
“Uma das coisas que o MicroBooNE fez foi nos dar confiança e nos ensinar como usar essa tecnologia para medir neutrinos com alta precisão”, disse ele. “O que aprendemos com o Microbun sobre como analisar os dados que chegam ao detector é diretamente aplicável ao DUNE.”
