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Novo experimento planeja desvendar massa de neutrinos

Ao enviar neutrinos de Illinois até Minnesota, físicos esperam descobrir essa particulas têm massa

Fermilab.
Um bloco com 4,64 metros quadrados do detector mais distante do NOvA está posicionado no laboratório em Ash River, Minnesota, para detectar neutrinos oscilantes.
Por Clara Moskowitz

Neutrinos estão espalhados por todo o Universo, mas nós não podemos vê-los ou sentí-los e quase nunca podemos detê-los. Eles atravessam nossos corpos aos trilhões a cada segundo, passando pelos espaços entre nossos átomos sem uma única colisão.

Essas partículas fantasmagóricas foram criadas em grande quantidade durante o Big Bang, e estrelas como o Sol produzem ainda mais delas o tempo todo. Mas apesar de toda a sua plenitude, os neutrinos podem ser as partículas mais misteriosas do Cosmos.

Durante décadas, físicos acreditaram que neutrinos não tinham peso e ficaram chocados ao descobrir, em 1998, que essas partículas de fato têm massas muito pequenas, mas não-zero. Ainda não se sabe exatamente quanta massa elas têm. A pergunta mais importante, porém, é por que elas têm massa.

A insperada massa dos neutrinos representa um desvio das leis que governam a física de partículas, chamadas de Modelo Padrão. Assim, descobrir a razão para a existência dessa massa poderia conduzir a uma explicação mais profunda e completa das partículas que compõem nosso mundo. “Essa é a primeira falha do Modelo Padrão em muito tempo”, observa o físico Mark Messier, da Indiana University, “e há muito interesse em tentar explorar essa falha para ver o que está acontecendo ali”.

Além disso, neutrinos parecem estar no centro de um mistério ainda maior:  por que vivemos em um Universo constituído de matéria, e não antimatéria? Essas duas substâncias deveriam ter sido criadas em quantidades aproximadamente iguais no início do tempo, mas de alguma forma a matéria venceu. Cientistas suspeitam que resolver o problema da massa dos neutrinos pode ajudar a revelar o porquê.

Um novo experimento que envia neutrinos pelo subsolo de Illinois até Minnesota está tentando resolver o mistério.

 O experimento NOvA cria neutrinos ao acelerar prótons e fazê-los colidir contra núcleos de carbono dentro de uma instalação no Laboratório Nacional do Acelerador Fermi, perto de Chicago.

Essas colisões produzem uma imensa quantidade de novas partículas, incluindo algumas que decaem em neutrinos. Os neutrinos então viajam 800 quilômetros em linha reta pelo subterrâneo, quase à velocidade da luz, até o Laboratório Ash River no norte de Minnesota. Ao longo do caminho, as partículas fazem algo incrível: mudam de identidade.

Sabores de neutrino

Neutrinos têm três “sabores”, chamados de elétron, múon e tau. Mas essas partículas não ficam presas a apenas um deles – elas podem mudar repentinamente de sabor. O experimento do Fermilab foi projetado para gerar apenas neutrinos do múon. Quando chegam a Minnesota, porém, alguma porção deles terá se transformado em neutrinos tau ou do elétron.

As partículas atravessam dois detectores – um no início da jornada e um no final – para mostrar aos cientistas quantos mudaram de sabor durante a viagem. Essas transformações são afetadas pelas massas dos neutrinos, e os dados do NOvA podem mostrar o caminho para compreendermos o surgimento dessas massas.

O detector de Ash River, em Minnesota, foi projetado para identificar neutrinos do elétron. Ele contém uma rede de tubos plásticos cheios de um material líquido que emite luz quando excitado.

 A construção de 14 mil toneladas é a maior estrutura plástica autônoma do mundo. “Nós prentedíamos entrar em contato com o Livro dos Recordes para receber a certificação oficial, mas não sei se fizemos isso”, conta o físico Steve Brice, do Fermilab.

A maioria dos neutrinos passa pelo líquido sem qualquer incidente, assim como passa através da matéria sem interagir com ela. Muito raramente, porém, um deles interage com um átomo do líquido, fazendo com que o material libere uma partícula de acordo com o sabor do neutrino.

Se um elétron for produzido, a emissão de luz no líquido acusa a detecção de um único neutrino do elétron. Apesar da grande quantidade de neutrinos que passam por ali a todo o momento, essas interações só ocorrem algumas vezes por dia. Com o passar do tempo, porém, os pesquisadores podem produzir uma estimativa confiável da frequência com que os neutrinos do múon viajando pelo Fermilab se transformam, ou oscilam, em neutrinos do elétron. Conhecer essa taxa poderia fornecer novas pistas sobre a massa dos neutrinos.

Não é apenas a massa dessas partículas que permanece um mistério, também não se sabe  qual é a distância dessas massas, e qual sabor está associado à maior delas.

 O fato de neutrinos conseguirem oscilar é o que informa pesquisadores que a massa existe – e que os sabores nem sempre têm massas iguais. As massas discrepantes fazem com que os vários neutrinos (que, de acordo com a mecânica quântica, podem ser encarados tanto como partículas quanto como ondas) viajem com frequências levemente diferentes. Essas ondas gradualmente entram e saem de fase umas com as outras, e pesquisadores veem as diferentes combinações como mudanças no sabor do neutrino.

Como oscilações e massas de neutrinos ficam tão entrelaçadas, medidas dessas transformações em experimentos anteriores já revelaram que existem escolhas limitadas para o arranjo das massas dos neutrinos.

O neutrino do elétron deve ser mais pesado ou mais leve que os outros dois sabores. O último caso é chamado de hierarquia normal de massa, porque os sabores dos neutrinos ficariam paralelos às partículas que lhes dão nomes: neutrinos do elétron seriam mais leves que neutrinos do múon, e neutrinos do múon seriam mais leves que neutrinos do tau, assim como os próprios elétrons são mais leves que os múons, e os múons são mais leves que os taus.

A outra opção, chamada de hierarquia invertida, é que neutrinos do elétron sejam o sabor mais pesado. De acordo com previsões teóricas, “geralmente o processo de oscilação dos neutrinos que estamos observando acontece com mais frequência quando a hierarquia é normal”, explica Messier, co-porta-voz do NOvA, “e quando a hierarquia é invertida, esse processo fica suprimido”.

A origem da massa dos neutrinos

Cada opção de hierarquia está ligada a teorias diferentes que explicam porquê os neutrinos têm massa. A hierarquia invertida de massa, por exemplo, significaria que os dois neutrinos mais pesados têm quase exatamente a mesma massa. “Ter partículas com exatamente a mesma massa indica que existe algum tipo de subestrutura ali”, observa o teórico André de Gouvêa, da Northwestern University. “Uma possibilidade lógica é que neutrinos podem ser compostos de partículas mais fundamentais.

Isso pode ser uma indicação de que, lá no fundo, todos os neutrinos são diferentes manifestações do mesmo objeto, que podem parecer partículas diferentes em baixas energias ou longas distâncias”.

Neutrinos não parecem conseguir suas massas da mesma maneira que outras partículas – por meio do bóson de Higgs. A famosa partícula, descoberta em 2012 no Grande Colisor de Hádrons, está associada com um “campo de Higgs” que permeia o Universo.

Conforme partículas se movem por esse campo, elas adquirem massa por meio de interações com ele. As particularidades de neutrinos – especificamente o fato de serem partículas “canhotas”, uma designação relacionada à direção de seu spin – significa que neutrinos provavelmente não podem interagir com o campo de Higgs. Além disso, partículas que recebem suas massas do Higgs tendem a ser mais pesadas.

Cientistas supõem que neutrinos têm massas aproximadamente um milhão de vezes menores que as de outras partículas de sua classe, como elétrons. “Deve haver algum novo mecanismo que confere massa aos neutrinos”, explica Messier. “Esse fator de um milhão exige uma explicação”.

O problema da massa dos neutrinos fica ainda mais complicado pelo estranho fato de que sabores de neutrino não têm massas absolutas e fixas. Em vez disso, cada estado de sabor é o que chamamos de superposição, ou sobreposição, de estados de massa – na prática, uma probabilidade de ter certas massas. Essa justaposição de estados de massa dentro de neutrinos é na verdade o que dá às partículas a capacidade de trocar de sabores.

Em um nível mais profundo, descobrir o ordenamento dos estados de massa dos neutrinos, além do porquê de serem tão pequenos, poderia revelar algo não apenas sobre neutrinos, mas sobre a natureza da física. “Algumas pessoas sentem que esses números são aleatórios”, declara o teórico Stephen Parke, do Fermilab. “Eu não acredito nisso. Eu acredito que exista algum mecanismo que acabaremos descobrindo e que explique porque os estados de massa têm misturas particulares de elétron, múon e tau. Essa é a grande pergunta, a pergunta que vale uma viagem para Estocolmo em dezembro”. [para receber um Prêmio Nobel]

 

Mistérios da antimatéria

Conhecer a hierarquia de massa dos neutrinos tornará  mais fácil resolver outro profundo mistério sobre as partículas: será que os neutrinos são sua própria contraparte de antimatéria?

Acredita-se que todas as partículas de matéria comum tenham parceiras de antimatéria com massa igual e carga oposta. Fìsicos sugeriram que algumas partículas – chamadas de partículas de Majorana – são tanto matéria quanto antimatéria. Se isso for verdade sobre os neutrinos, então quando duas delas colidirem, elas devem se aniquiliar mutuamente, assim como acontece com a matéria e a antimatéria quando entram em contato.

Para determinar se neutrinos são partículas de Majorana será necessário realizar um complexo experimento procurando um possível processo chamado de decaimento beta duplo sem neutrino, em que dois neutrinos liberados como subprodutos normais de decaimentos radioativos cancelam um ao outro, resultando no desaparecimento de neutrinos. Se a hierarquia de massa dos neutrinos for invertida, o processo de decaimento acontece mais rapidamente.

Até agora ninguém observou o decaimento beta duplo sem neutrino, mas cientistas ainda estão procurando. “A sensibilidade desses experimentos depende da massa efetiva do neutrino do elétron”, explica o co-porta-voz do NOvA, Gary Feldman, físico da Harvard University. “Na hierarquia normal, sua sensibilidade será muito baixa. Mas a medida poderia estar na faixa desses experimentos se estiver no hierarquia invertida”,

Saber se neutrinos são partículas de Majorana poderia ajudar cientistas a resolver o problema da massa. “Se o neutrino for uma partícula de Majorana, isso poderia ser um grande indício sobre a origem de sua massa”, comenta Gouvêa. “Em uma rota, o neutrino é Majorana e, na outra, não é.

Do ponto de vista teórico, compreender as massas dos neutrinos a partir dessas duas perspectivas é muito diferente. Se conseguirmos descobrir qual possibilidade está correta, poderíamos excluir muitas teorias diferentes”.

Por fim, físicos acreditam que neutrinos poderiam resolver um mistério ainda maior sobre a antimatéria – por que o Universo não é composto dela em vez de matéria comum? Para compreender porque isso é misterioso, considere o que físicos atualmente acreditam que aconteceu logo após o Big Bang: quantidades imensas de matéria e antimatéria que tinham acabado de ser criadas se aproximaram e se destruíram. A pequena quantidade de matéria que restou após todas essas aniquilações é o que compõe as galáxias, estrelas e planetas que temos atualmente.  

Para descobrir como a matéria saiu na vantagem, cientistas estão procurando assimetrias no comportamento desses dois tipos de substância – matéria e antimatéria. Eles já descartaram a possibilidade dessas assimetrias para a maior parte das partículas. “Existem poucos locais para esconder essa assimetria entre matéria e antimatéria no Modelo Padrão”, explica Messier. “Existem muitas evidências apontando para os neutrinos como sendo a origem dessa grande questão”. Se neutrinos não são partículas de Majorana, então tavez neutrinos oscilem para outros sabores a taxas diferentes das de outros neutrinos. Essas taxas diferentes, por sua vez, poderiam ter feito com que mais neutrinos sobrevivessem à era da aniquilação entre matéria e antimatéria no universo primitivo.

O NOvA tem a capacidade de medir tanto os neutrinos quanto os antineutrinos, então o experimento deve procurar diferenças em suas taxas de oscilação. É pouco provável que o experimento seja sensível o bastante descobrir sozinho uma assimetria. Mas os dados combinados do NOvA com outros experimentos de neutrinos, porém, poderia apontar a direção certa.

O principal competidor do nova é o experimento japonês T2K, que tem uma configuração semelhante. No T2K, neutrinos viajam apenas 300 quilômetros (contra os 800 do NOvA), mas seu detector principal é mais sensível. “Podemos começar a arranhar a superfície da questão sobre a assimetria da antimatéria quando combinarmos os dados do NOvA com os dados de outros experimentos de outras partes do mundo”, declara o diretor do Fermilab, Nigel Lockyer.  

Para realmente responder essa questão, explica ele, provavelmente será necessário um experimento ainda maior. Cientistas do Fermilab já planejando a próxima geração de experimentos, chamado de Long-Baseline Neutrino Experiment (LBNE), que deve substituir o NOvA quando for concluído. Essa instalação lançaria neutrinos do Fermilab até a Dakota do Sul, através de 1.290 quilômetros de terra. Seus detectores também seriam inseridos no subsolo para protegê-los de contaminação por radiação.

Grande parte da comunidade americana de física de altas energias apoia o plano. Europa e a Índia também querem participar. “É preciso uma reunião fundamental da comunidade mundial para dizer que queremos realizar esse experimento”, observa Lockyer. “Estamos em uma época muito difícil em termos de financiamento, mas eu sou otimista. Acredito que estamos muito bem posicionados.”