Pistas escondidas em partículas fantasmas podem explicar por que existimos

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.

A sua análise conjunta, publicada recentemente NaturezaEle fornece medições muito precisas 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 desafiar as teorias científicas atuais.

Kendall Mahn, 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 não conseguiriam alcançar sozinhas.

“Esta é uma grande vitória para a nossa indústria”, disse Mahn. “Isso mostra que podemos fazer esses experimentos, podemos observar os neutrinos com mais detalhes e conseguir trabalhar juntos.”

Por que a matéria existe?

Segundo os físicos, deve ter havido quantidades iguais de matéria e antimatéria no universo primitivo. Se fosse esse o caso, os dois teriam se destruído completamente. No entanto, a coisa sobreviveu de alguma forma – e não temos uma razão clara para isso.

Muitos pesquisadores acreditam que a resposta pode estar no estranho comportamento dos neutrinos, pequenas partículas que passam por nós constantemente, mas raramente interagem. A compreensão de um processo chamado oscilação de neutrinos, no qual essas partículas mudam de “sabores” à medida que se movem, poderia ajudar a explicar por que a matéria vence a antimatéria.

“Os neutrinos são mal compreendidos”, disse Joseph Walsh, associado de pós-doutorado da MSU, que trabalhou no projeto. “As suas massas muito pequenas significam que não interagem com muita frequência. Centenas de biliões de neutrinos do Sol passam pelo nosso corpo a cada segundo, mas todos passam directamente. Precisamos de construir fontes intensas ou usar detectores muito maiores para fornecer oportunidades suficientes para os ver e estudar.”

Como funcionam os testes

Tanto o T2K quanto o NOvA são conhecidos como ensaios 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 dos dois detectores, os cientistas podem acompanhar como os neutrinos mudam ao longo do caminho.

Como os testes variam em design, potência e distância, a combinação de seus dados dá aos pesquisadores uma imagem mais completa.

“Ao realizar uma análise conjunta, podemos obter uma medição mais precisa do que se cada experimento fosse realizado separadamente”, disse Lyudmila Kolubeva, colaboradora do NOvA. “Como regra, os experimentos em física de altas energias têm projetos diferentes, mesmo que tenham o mesmo objetivo científico. As análises conjuntas nos permitem explorar aspectos complementares desses projetos.”

O quebra-cabeça da massa do neutrino

O foco principal do estudo é a chamada “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 combinação desses estados.

Os cientistas tentam determinar se o sistema de massa segue um padrão “normal” (dois leves e um pesado) ou “invertido” (dois pesados ​​e um leve). Normalmente, os neutrinos do múon têm maior probabilidade de se transformar em neutrinos do elétron, enquanto seus parceiros de antimatéria têm menos probabilidade de fazê-lo. A inversão ocorre na forma reversa.

A disparidade entre os neutrinos e as suas contrapartes 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 como as suas contrapartes no espelho. Tal violação pode explicar por que a matéria domina o universo.

O que os resultados mostram

Os resultados combinados do NOvA e do T2K ainda não apontam decisivamente para uma implantação em massa. Se estudos futuros confirmarem a ordem normal, os cientistas ainda precisarão de mais dados para esclarecer se a simetria do CP está quebrada. Mas se a ordem inversa for comprovada como correta, esta investigação sugere que os neutrinos podem na verdade quebrar a simetria do CP, fornecendo uma pista poderosa sobre a razão pela qual a matéria existe.

Se os neutrinos não quebrassem a simetria do CP, os físicos perderiam uma das explicações mais fortes para a existência da matéria.

Embora estes resultados não resolvam completamente o mistério dos neutrinos, eles expandem o que os cientistas sabem sobre estas partículas indescritíveis e demonstram a força da colaboração internacional em física.

A colaboração NOvA inclui mais de 250 cientistas e engenheiros de 49 instituições em oito países. A equipe T2K é composta por mais de 560 membros de 75 empresas em 15 países. Os dois grupos começaram a colaborar nesta análise em 2019, combinando oito anos de dados NOvA com uma década de resultados T2K. Ambos os experimentos continuam coletando novas informações para atualizações futuras.

“Esses resultados são o resultado da colaboração e do entendimento mútuo de duas colaborações únicas envolvendo muitos especialistas em física de neutrinos, tecnologias de detecção e técnicas de análise, trabalhando em ambientes muito diferentes, usando métodos e ferramentas diferentes”, disse o colaborador do T2K, Tomas Nosek.