Um pesquisador da Michigan State University ajudou a liderar um esforço inovador que aproxima os cientistas de como o universo se originou.
Pela primeira vez, duas das maiores experiências de neutrinos do mundo – T2K no Japão e NOvA nos EUA – combinaram os seus dados para alcançar uma precisão sem precedentes no estudo dos neutrinos, as partículas quase invisíveis que preenchem o cosmos mas que raramente interagem com alguma coisa.
A sua análise conjunta, publicada recentemente a naturezaEle fornece a medição mais precisa de como os neutrinos mudam de um tipo para outro à medida que viajam pelo espaço. Este marco abre caminho para pesquisas futuras que poderão aprofundar a nossa compreensão da evolução do universo – ou mesmo desafiar as teorias científicas atuais.
Kendall Mahon, professor de física e astronomia na Michigan State University e co-porta-voz da T2K, ajudou a coordenar a colaboração. Ao combinar os pontos fortes de ambas as experiências, as equipas alcançaram resultados que nenhuma delas conseguiria alcançar sozinhas.
“Foi uma grande vitória para o nosso campo”, disse Mahon. “Isso mostra que podemos fazer esses experimentos, podemos ver os neutrinos com mais detalhes e podemos ter sucesso trabalhando juntos.”
Por que a matéria existe em todos os momentos?
Segundo os físicos, o universo primitivo deveria conter quantidades iguais de matéria e antimatéria. Se fosse esse o caso, os dois se destruiriam completamente. No entanto, o assunto persiste de alguma forma – e não temos uma razão clara para isso.
Muitos investigadores acreditam que a resposta pode estar no estranho comportamento dos neutrinos, pequenas partículas que passam constantemente através de nós, mas raramente interagem. Compreender um processo chamado oscilação de neutrinos, no qual estas partículas mudam de “sabor” à medida que se movem, pode ajudar a explicar porque é que a matéria venceu a antimatéria.
“Os neutrinos não são bem compreendidos”, disse Joseph Walsh, associado de pós-doutorado da MSU, que trabalhou no projeto. “A sua massa muito pequena significa que não interagem com muita frequência. Centenas de biliões de neutrinos do Sol passam pelo nosso corpo a cada segundo, mas quase todos passam directamente. Precisamos de criar fontes intensas ou usar detectores muito grandes para lhes dar oportunidades suficientes para os ver e estudar.”
Como funciona o teste
Tanto o T2K quanto o NOvA são conhecidos como testes de linha de base longa. Cada um envia um feixe focalizado de neutrinos em direção a dois detectores – um próximo à fonte e outro a centenas de quilômetros de distância. Ao comparar os resultados de ambos os detectores, os cientistas podem acompanhar como o neutrino muda ao longo do caminho.
Como os experimentos diferem em design, potência e distância, a combinação de seus dados dá aos pesquisadores uma imagem mais completa.
“Ao fazer uma análise conjunta, você pode obter medições mais precisas do que testes individuais”, disse Lyudmila Kolupaeva, associada da NOvA. “Como regra, os experimentos de física de alta energia têm projetos diferentes, embora tenham o mesmo objetivo científico. A análise conjunta nos permite explorar as propriedades complementares desses projetos.”
O quebra-cabeça da massa do neutrino
O foco principal do estudo é algo chamado “ordenação de massa de neutrinos”, que pergunta qual tipo de neutrino é o mais leve. Não é tão simples como pesar partículas numa balança. Os neutrinos existem em três estados de massa, e cada sabor de neutrino é na verdade uma mistura desses estados.
Os cientistas estão tentando determinar se a distribuição de massa segue um padrão “normal” (dois leves e um pesado) ou “invertido” (dois pesados e um leve). No caso normal, é mais provável que os neutrinos do múon sejam neutrinos do elétron, enquanto seus parceiros de antimatéria têm menos probabilidade de ser. O oposto ocorre em um padrão invertido.
Um desequilíbrio entre os neutrinos e os seus homólogos de antimatéria pode significar que estas partículas violam um princípio conhecido como simetria de paridade de carga (CP) – o que significa que não se comportam exactamente da mesma forma que os seus espelhos opostos. Tais violações podem explicar por que a matéria domina o universo.
O que os resultados mostram
Os resultados combinados de NOvA e T2K ainda não apontam conclusivamente para a sequência de massa. Se estudos futuros confirmarem a sequência normal, os cientistas precisarão de mais dados para esclarecer se a simetria do CP está quebrada. Mas se a sequência invertida se revelar correta, este estudo sugere que os neutrinos podem de facto violar a simetria do CP, fornecendo uma forte pista sobre a razão pela qual a matéria existe.
Se os neutrinos não violassem a simetria CP, os físicos perderiam uma explicação poderosa para a existência da matéria.
Embora estes resultados não resolvam diretamente o mistério dos neutrinos, eles expandem o que os cientistas sabem sobre estas partículas indescritíveis e demonstram o poder da colaboração internacional em física.
A colaboração NOvA inclui mais de 250 cientistas e engenheiros de 49 instituições em oito países. A equipa T2K envolve mais de 560 membros de 75 instituições em 15 países. As duas equipes começaram a trabalhar juntas nesta análise em 2019, combinando oito anos de dados NOvA com uma década de resultados T2K. Ambos os testes continuam coletando novos dados para atualizações futuras.
“Esses resultados são o resultado da colaboração e do entendimento mútuo de duas colaborações únicas, ambas envolvendo muitos especialistas em física de neutrinos, tecnologia de detecção e técnicas de análise, trabalhando em ambientes muito diferentes, usando métodos e ferramentas diferentes”, disse Thomas Nosek, associado da T2K.
