Os neutrinos são talvez a mais intrigante das partículas conhecidas. Eles simplesmente desrespeitam todas as regras conhecidas de como as partículas devem se comportar. Eles zombam de nossos detectores sofisticados. Como gatos cósmicos, eles viajam pelo universo sem se preocupar ou se preocupar, ocasionalmente interagindo com o resto de nós, mas realmente apenas quando sentem vontade, o que honestamente nem sempre é tão frequente.
O mais frustrante de tudo, eles usam máscaras e nunca parecem da mesma maneira duas vezes.
Mas um novo experimento pode ter nos levado um passo mais perto de arrancar essas máscaras. Revelar a verdadeira identidade dos neutrinos pode ajudar a responder a questões de longa data, como se os neutrinos são seus próprios parceiros de antimatéria, e pode até ajudar a unificar as forças da natureza em uma teoria coesa.
Um enorme problema
Neutrinos são estranhos. Existem três tipos: o elétron neutrino, o múon neutrino e o tau neutrino. (Existem também as versões antipartículas desses três, mas isso não é grande parte da história.) Eles são assim chamados porque esses três tipos se divertem com três tipos diferentes de partículas. Neutrinos de elétrons juntam interações envolvendo elétrons. Os neutrinos do muon são emparelhados com os múons. Nenhum ponto será concedido por adivinhar com o que o tau neutrino interage.
Até agora, isso não é nada estranho. Aí vem a parte estranha.
Para partículas que são não neutrinos - como elétrons, múons e partículas de tau - o que você vê é o que recebe. Essas partículas são exatamente iguais, exceto por suas massas. Se você detectar uma partícula com a massa de um elétron, ela se comportará exatamente como um elétron deve se comportar, e o mesmo vale para o múon e a tau. Além disso, uma vez que você identifica um elétron, ele sempre será um elétron. Nada mais nada menos. O mesmo para o múon e o tau.
Mas o mesmo não vale para seus primos, neutrinos de elétrons, múons e tau.
O que chamamos, digamos, de "tau neutrino" nem sempre é o tau neutrino. Pode mudar sua identidade. Pode tornar-se, no meio do vôo, um elétron ou um neutrino de múon.
Esse fenômeno estranho que basicamente ninguém esperava era chamado oscilação de neutrinos. Significa, entre outras coisas, que você pode criar um neutrino eletrônico e enviá-lo para o seu melhor amigo como presente. Mas, no momento em que obtêm, podem ficar desapontados ao encontrar um tau neutrino.
Gangorra
Por razões técnicas, a oscilação de neutrinos funciona apenas se houver três neutrinos com três massas diferentes. Mas os neutrinos que oscilam não são os neutrinos com sabor de elétron, múon e tau.
Em vez disso, existem três neutrinos "verdadeiros", cada um com massas diferentes, mas desconhecidas. Uma mistura distinta desses verdadeiros neutrinos fundamentais cria cada um dos sabores de neutrinos que detectamos em nossos laboratórios (elétron, múon, tau). Portanto, a massa medida em laboratório é uma mistura dessas massas verdadeiras de neutrinos. Enquanto isso, a massa de cada neutrino verdadeiro na mistura governa a frequência com que se transforma em cada um dos diferentes sabores.
O trabalho dos físicos agora é separar todos os relacionamentos: quais são as massas desses verdadeiros neutrinos e como eles se misturam para criar os três sabores?
Assim, os físicos estão em uma caçada para descobrir as massas dos "verdadeiros" neutrinos, observando quando e com que frequência eles mudam de sabor. Novamente, o jargão da física é muito inútil ao explicar isso, pois os nomes desses três neutrinos são simplesmente m1, m2 e m3.
Uma variedade de experimentos minuciosos ensinou aos cientistas algumas coisas sobre as massas dos verdadeiros neutrinos, pelo menos indiretamente. Por exemplo, conhecemos algumas das relações entre o quadrado das massas. Mas não sabemos exatamente quanto pesam os verdadeiros neutrinos e não sabemos quais são mais pesados.
Pode ser que m3 seja o m2 e m1 mais pesado, superando largamente. Isso é chamado de "ordenação normal" porque parece bastante normal - e são os físicos que ordenaram essencialmente há décadas. Mas com base em nosso estado atual de conhecimento, também pode ser que m2 seja o neutrino mais pesado, com m1 não muito atrás e m3 insignificante em comparação. Esse cenário é chamado de "ordem invertida", porque significa que adivinhamos a ordem errada inicialmente.
Obviamente, existem campos de teóricos ansiando por cada um desses cenários para ser verdade. Teorias que tentam unificar todas (ou pelo menos a maioria) das forças da natureza sob um único teto normalmente exigem uma ordem normal de neutrino-massa. Por outro lado, a ordenação de massa invertida é necessária para que o neutrino seja seu próprio gêmeo antipartícula. E se isso fosse verdade, poderia ajudar a explicar por que há mais matéria do que antimatéria no universo.
Treino DeepCore
Qual é: normal ou invertido? Essa é uma das maiores perguntas surgidas nas últimas duas décadas de pesquisa com neutrinos, e é exatamente o tipo de pergunta que o maciço Observatório IceCube Neutrino foi projetado para responder. Localizado no Pólo Sul, o observatório consiste em dezenas de cadeias de detectores afundadas na camada de gelo da Antártica, com um "DeepCore" central de oito cadeias de detectores mais eficientes, capazes de observar interações de menor energia.
Os neutrinos mal falam com a matéria normal, então são perfeitamente capazes de passar direto pelo corpo da Terra. E ao fazê-lo, eles se transformarão nos vários sabores. De vez em quando, eles atingem uma molécula na camada de gelo antártica perto do detector IceCube, provocando uma chuva de partículas que emitem uma luz azul surpreendentemente chamada radiação Cherenkov. É essa luz que as cordas do IceCube detectam.
Em um artigo recente publicado na revista pré-impressa arXiv, os cientistas do IceCube usaram três anos de dados do DeepCore para medir quantos de cada tipo de neutrino passaram pela Terra. O progresso é lento, é claro, porque os neutrinos são muito difíceis de entender. Mas neste trabalho. os cientistas relatam uma ligeira preferência nos dados pelo pedido normal (o que significa que adivinhámos décadas atrás). No entanto, eles não encontraram nada muito conclusivo ainda.
É tudo o que conseguiremos? Certamente não. O IceCube está se preparando para uma grande atualização em breve, e novos experimentos, como o Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) e o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), também estão se preparando para enfrentar essa questão central. Quem sabia que uma pergunta tão simples sobre a ordenação de massas de neutrinos revelaria tanto do modo como o universo funciona? É uma pena que também não seja uma pergunta fácil.
Paul M. Sutter é um astrofísico da Universidade Estadual de Ohioanfitrião de "Pergunte a um astronauta" e "Rádio Espacial, "e autor de"Seu lugar no universo."
