O modelo padrão da física de partículas é um dos feitos mais impressionantes da ciência. É um esforço rigoroso e preciso para entender e descrever três das quatro forças fundamentais do Universo: a força eletromagnética, a força nuclear forte e a força nuclear fraca. A gravidade está ausente porque, até agora, ajustá-la ao modelo padrão tem sido extremamente desafiadora.
Mas existem alguns buracos no Modelo Padrão, e um deles envolve a massa do neutrino.
A existência do neutrino foi proposta pela primeira vez em 1930 e depois detectada em 1956. Desde então, os físicos descobriram que existem três tipos de neutrinos, e eles são abundantes e ilusórios. Somente instalações especiais podem detectá-los porque raramente interagem com outros assuntos. Existem várias fontes para eles, e alguns deles estão circulando pelo espaço desde o Big Bang, mas a maioria dos neutrinos próximos à Terra vem do Sol.
O Modelo Padrão prevê que os neutrinos não têm massa, como os fótons. Mas os físicos descobriram que os três tipos de neutrinos podem se transformar quando se movem. Segundo os físicos, eles só deveriam poder fazer isso se tiverem massa.
Mas quanta massa? Essa é uma pergunta que tem perseguido os físicos de partículas. E responder a essa pergunta faz parte do que leva os cientistas do KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
"Essas descobertas da colaboração KATRIN reduzem a faixa de massa anterior para o neutrino em um fator de dois ..."
HAMISH ROBERTSON, KATRIN CIENTISTA E PROFESSOR EMERITUS DE FÍSICA NA UNIVERSIDADE DE WASHINGTON.
Uma equipe de pesquisadores elaborou parte de uma resposta para isso: a massa do neutrino não pode ser maior que 1,1 elétron-volts (eV). Essa é uma redução do limite superior da massa de um neutrino em quase 1 eV; de 2 eV para 1,1 eV. Com base em experimentos anteriores que definiram o limite inferior de massa em 0,02 eV, esses pesquisadores estabeleceram um novo intervalo para a massa do neutrino. Isso mostra que um neutrino tem menos de 1 / 500.000th da massa de um elétron. Este é um passo importante no avanço do Modelo Padrão.
"Conhecer a massa do neutrino permitirá que os cientistas respondam perguntas fundamentais em cosmologia, astrofísica e física de partículas ..."
Hamish Robertson, cientista KATRIN e professor emérito de física da Universidade de Washington.
Os pesquisadores por trás deste trabalho são de 20 instituições de pesquisa diferentes em todo o mundo. Eles estão trabalhando com KATRIN no Instituto de Tecnologia Karlsruhe, na Alemanha. A instalação da KATRIN possui um espectrômetro de alta resolução de 10 metros que permite medir energias eletrônicas com grande precisão.
A equipe KATRIN apresentou seus resultados na conferência Tópicos de 2019 em Astropartículas e Física Subterrânea em Toyama, Japão, em 13 de setembro.
"Conhecer a massa do neutrino permitirá que os cientistas respondam perguntas fundamentais em cosmologia, astrofísica e física de partículas, como como o universo evoluiu ou qual física existe além do modelo padrão", disse Hamish Robertson, cientista e professor emérito de física da KATRIN. na Universidade de Washington. "Essas descobertas pela colaboração KATRIN reduzem a faixa de massa anterior para o neutrino em um fator de dois, colocam critérios mais rigorosos sobre qual é realmente a massa do neutrino e fornecem um caminho a seguir para medir definitivamente seu valor".
Os neutrinos são notoriamente difíceis de detectar, mesmo sendo abundantes. Apenas fótons são mais abundantes. Como o próprio nome diz, eles são eletricamente neutros. Isso torna a detecção extremamente difícil. Existem observatórios de neutrinos afundados no gelo antártico e também em minas abandonadas. Eles costumam usar água pesada para atrair os neutrinos a interagir. Quando um neutrino interage, produz radiação de Cherenkov que pode ser medida.
"Se você preenchesse o sistema solar com chumbo até cinquenta vezes além da órbita de Plutão, cerca da metade dos neutrinos emitidos pelo sol ainda deixaria o sistema solar sem interagir com esse chumbo", disse Robertson.
A história do neutrino evoluiu ao longo do tempo com experimentos como o KATRIN. Originalmente, o Modelo Padrão previa que os neutrinos não teriam massa. Mas em 2001, dois detectores diferentes mostraram que sua massa é diferente de zero. O Prêmio Nobel de Física de 2015 foi concedido a dois cientistas que mostraram que os neutrinos podem oscilar entre os tipos, mostrando que têm massa.
A instalação KATRIN mede a massa de neutrinos indiretamente. Ele funciona monitorando o decaimento do trítio, que é uma forma altamente radioativa de hidrogênio. À medida que o isótopo do trítio decai, emite pares de partículas: um elétron e um antineutrino. Juntos, eles compartilham 18.560 eV de energia.
Na maioria dos casos, o par de partículas compartilha os 18.560 eV igualmente. Mas, em casos raros, o elétron consome a maior parte da energia, deixando o neutrino com muito pouco. Esses exemplos raros são o foco dos cientistas.
Devido a E = mC2, a pequena quantidade de energia restante para o neutrino nesses casos raros também deve ser igual à sua massa. Como o KATRIN tem o poder de medir o elétron com precisão, também é capaz de determinar a massa do neutrino.
"A resolução da massa de neutrinos nos levaria a um admirável mundo novo, criando um novo modelo padrão", disse Peter Doe, professor de pesquisa em física da Universidade de Washington que trabalha com KATRIN.
Esse novo modelo padrão mencionado por Doe pode ter o potencial de explicar a matéria escura, que compõe a maior parte do universo. Esforços como o KATRIN podem um dia detectar outro quarto tipo de neutrino chamado neutrino estéril. Até agora, este quarto tipo é apenas conjectura, mas é candidato à matéria escura.
"Neutrinos são pequenas partículas estranhas", disse Doe. "Eles são tão onipresentes e há muito que podemos aprender depois de determinar esse valor".
Mostrar que os neutrinos têm massa e restringir o alcance dessa massa são importantes. Mas os físicos de partículas ainda não sabem como ganham massa. Provavelmente é diferente de como outras partículas ganham as deles.
Resultados como este da KATRIN estão ajudando a fechar um buraco no Modelo Padrão e em nossa compreensão geral do Universo. O Universo está cheio de neutrinos antigos do Big Bang, e todo avanço na massa do neutrino nos ajuda a entender como o Universo se formou e evoluiu.
Mais:
- Press Release: KATRIN reduz pela metade a estimativa de massa para o neutrino indescritível
- Instituto de Tecnologia Karlsruhe: KATRIN
- CERN: o modelo padrão
- Revista Symmetry: Cinco mistérios que o modelo padrão não pode explicar
- MIT News: 3T: Cientistas raspar estimativa da massa de neutrinos pela metade
