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Discrepância cósmica sugere existência de neutrino “estéril”

Discordância entre observações de aglomerados galácticos e radiação cósmica de fundo sugere outro neutrino

T2K
Um candidato a neutrino de elétron aparece no detector Super Kamiokande, do experimento japonês T2K, que já observou um número recorde de neutrinos trocando de sabor.
Por Clara Moskowitz

 Os neutrinos, algumas das partículas mais numerosas do Universo, também estão entre as mais misteriosas.

Nós sabemos que eles têm massa, mas não quanta massa. Sabemos que eles têm pelo menos três tipos, ou “sabores” – mas podem existir mais.

Um novo estudo descobriu que uma discrepância entre observações de aglomerados galácticos e medidas da radiação cósmica de fundo poderiam ser explicadas se neutrinos fossem mais massivos do que se acredita normalmente. Isso também oferece indícios tentadores da existência de um quarto tipo de neutrino, que até agora nunca foi observado.

A tensão entre aglomerados galácticos e a radiação cósmica de fundo (CMB, em inglês) é um problema cada vez maior, mas que talvez possa ser resolvido com a obtenção de dados melhores nos próximos anos.

A radiação de fundo mostra as pequenas variações de densidade no Universo primitivo que fizeram a matéria se acumular em alguns lugares e deixar espaços vazios em outros. O resultado final dessa aglomeração pode ser visto no Universo recente, com a disseminação de aglomerados galácticos pelo espaço.

As melhores medidas da radiação cósmica de fundo vieram do telescópio orbital Planck, da Agência Espacial Europeia, em março de 2013.

Medidas de aglomerados galácticos, por outro lado, vêm de vários métodos, e entre eles está o mapeamento da disseminação de massa pelo Universo; esse mapeamento é realizado com a localização de lentes gravitacionais, a curvatura da luz provocada por aglomerados galácticos.

As duas medidas, porém, são discrepantes entre si. “Nós comparamos o Universo primitivo com o Universo mais recente, e temos um modelo que extrapola os dois”, explica Richard Battye da University of Manchester, na Inglaterra, coautor do novo estudo publicado em 7 de fevereiro no periódico Physical Review Letters (PRL). “Se ficarmos com o modelo que se adequa aos dados da radiação cósmica de fundo, o número de aglomerados encontrados se torna menor que o esperado por um fator de dois”.

 A discrepância poderia ser explicada se neutrinos tiverem atrapalhado o processo de formação de aglomerados galácticos – o que é uma possibilidade se essas partículas tiverem massa suficiente.

Acredita-se que em algum momento do passado o Universo cruzou um limiar energético que correspondia à massa dos neutrinos: quando o Universo ainda era quente e denso, no início de sua vida, neutrinos teriam sido relativísticos, movendo-se à velocidade da luz. Nesse estado, eles não teriam se aglomerado sob a força de sua própria atração gravitacional.

Após o Universo esfriar e cruzar o limiar energético, porém, neutrinos teriam desacelerado e começado a se mover a velocidades sub-luminares. Então eles finalmente teriam começado a se aglomerar como o resto da matéria do Universo. “O número de aglomerados galácticos que veríamos no Universo é uma função da massa dos neutrinos”, explica Battye. “Quanto mais massivos eles forem, maior sua contribuição para a densidade total de matéria do Universo, e eles acabam limitando levemente o processo de formação de aglomerados galácticos”.

Battye e seu colaborador, Adam Moss da University of Nottingham, na Inglaterra, descobriram que o número de aglomerados que vemos atualmente pode ser explicado se as massas dos três neutrinos conhecidos chegarem a aproximadamente 0,32 elétron-volt (com uma variação de 0,081), ou cerca de um terço de bilionésimo da massa de um próton.

Estimativas anteriores sugeriram que a massa dos neutrinos só precisaria atingir 0,06 elétron-volt. Uma massa total tão grande seria surpreendente e “muito interessante, com várias consequências positivas”, observa o físico teórico André de Gouvêa da Northwestern University, que não se envolveu no estudo.

Isso indicaria, por exemplo, que os três sabores de neutrino – elétron, múon e tau – têm quase exatamente a mesma massa, o que seria um pouco inesperado. Isso “teria um impacto sobre a maneira com que tentamos compreender o mecanismo por trás de massas de neutrino”, aponta Gouvêa.

Além disso, Battye e Moss encontraram evidências de que um quarto tipo de neutrino pode existir: um que seja “estéril”.

“A ideia é muito empolgante”, declara o físico Joseph Formaggio do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, que também não participou do estudo. “Nós esperamos encontrar três neutrinos. Mas com quatro nós jogamos tudo pela janela – [e encontramos] uma física além do Modelo Padrão”.

Os três neutrinos conhecidos têm a capacidade bizarra de trocar de sabor. Um neutrino estéril não seria capaz de fazer isso, e teria uma interação ainda mais fraca com a matéria comum que os sabores conhecidos – que já são bem tímidos.

Há muito tempo teóricos sugerem que neutrinos estéreis podem existir, mas até agora não há provas disso. Indícios recentes de alguns aceleradores de partículas, porém, começaram a sugerir que eles estão por aí. “O que é realmente interessante é que a massa desse neutrino estéril, [de acordo com Battye e Moss,] é consistente com o que foi observado pelos outros experimentos”, aponta Formaggio. “Eu acho que as pessoas estão começando a observar os dados e a dizer ‘ei, talvez tenha algo aí’”.

E, coincidentemente, outro estudo apoiando a ideia de neutrinos estéreis e massas maiores para essas partículas também foi publicado no PRL de 7 de fevereiro. Esse trabalho, conduzido por Mark Wyman da University of Chicago, também examinou tensões entre os dados do Planck e aglomerados galácticos, e chegou a conclusões semelhantes às de Battye e Moss.

Durante muitos anos acreditou-se que neutrinos não tinham massa nenhuma, mas a descoberta de que eles podem trocar de sabor também provou que eles têm pelo menos um pouquinho de massa.

Acredita-se que o estado de cada sabor seja uma mistura das três massas desconhecidas dos neutrinos – chamadas de massa 1, massa 2  e massa 3 por enquanto – e é por causa dessa mistura que qualquer sabor tem uma chance de se transformar em um dos outros com o passar do tempo.

A transformação só é possível se os estados de massa forem diferentes uns dos outros, e essa diferença só é possível se a massa dos neutrinos for diferente de zero, explica Formaggio.

Experimentos que tentam capturar neutrinos durante sua mudança de sabor poderiam ajudar a localizar as diferenças entre as massas dos neutrinos e nos dizer qual deles pesa mais – o que nós chamamos de “hierarquia de massa de neutrinos”.

Um desses experimentos, chamado de NuMI Off-Axis νeAppearance (NOvA), registrou seus primeiros neutrinos na semana passada.

O experimento cria um feixe de neutrinos no Acelerador do Laboratório Nacional Fermi, perto de Chicago, e os envia para dois detectores – um perto do Fermilab e outro a 800 km de distância, em Ash River, no estado de  Minnesota. Todas as partículas começam como neutrinos de múon mas, em eventos raros, alguns deles chegam ao detector distante após se transformarem em neutrinos de elétron, que criam uma assinatura diferente. A frequência com que isso acontece está relacionada com a diferença entre as massas dos neutrinos de múon e de elétron.

Outro experimento, realizado no Japão, chamado de projeto Tokai to Kamioka (T2K) também procura essas transformações. A equipe anunciou na semana passada ter observado uma quantidade recorde de 28 candidatos a mutações de neutrinos de múon em neutrinos de elétron, e a previsão é que apenas cinco desses eventos sejam outros processos disfarçados.

Essa é a evidência mais forte até o momento para esse tipo de oscilação de neutrino, ainda que muito mais dados sejam necessários para responder perguntas a respeito das massas dessas partículas. “Isso é uma espécie de marco de percurso em uma corrida muito longa”, compara Formaggio, que escreveu um ensaio acompanhando a publicação do resultado em 10 de fevereiro, também no PRL.

Os dois experimentos são complementares, explica Rick Tesarek, vice-líder de projeto do NovA. “O NovA têm algumas capacidades que o T2K não têm” e vice-versa. Os experimentos usam tecnologias diferentes de detecção que são sensíveis a efeitos diferentes, e o projeto NovA tem uma distância maior entre seu feixe de neutrinos e os detectores mais afastados.

Conforme esses experimentos coletam mais dados, os segredos das massas dos neutrinos podem ser revelados.

Os próximos anos também devem mostrar se as medidas de aglomerados galácticos realmente são incompatíveis com os dados da radiação cósmica de fundo, e assim esclarecer se esses dados indicam massas maiores de neutrinos e/ou um neutrino estéril. “As medidas melhoram o tempo todo”, observa Battye. “Eu imagino que em cinco anos nós saberemos se isso está certo ou não”.