Um pesquisador da Michigan State University ajudou a liderar um esforço inovador que aproxima os cientistas de revelar como o universo se formou.
Os dois maiores experimentos de neutrinos do mundo – o T2K do Japão e o NOvA dos EUA – combinaram dados pela primeira vez para alcançar uma precisão sem precedentes no estudo de neutrinos. Os neutrinos são partículas quase invisíveis que preenchem o universo, mas raramente interagem com alguma coisa.
A sua análise conjunta foi recentemente publicada em naturezafornece o método mais preciso para medir como os neutrinos transitam de um tipo para outro à medida que viajam pelo espaço. Este marco abre caminho para estudos futuros que poderão aprofundar a nossa compreensão da evolução do universo e até 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 ambos os experimentos, a equipe alcançou resultados que nenhum dos experimentos poderia alcançar sozinho.
“Esta é uma grande vitória para o nosso campo”, disse Maan. “Isso mostra que podemos fazer esses testes, podemos estudar os neutrinos com mais detalhes e podemos trabalhar juntos com sucesso.”
Por que a matéria existe?
Segundo os físicos, o universo primitivo deveria conter quantidades iguais de matéria e antimatéria. Se fosse esse o caso, os dois teriam sido completamente destruídos. No entanto, o assunto sobreviveu de alguma forma – não temos uma razão clara para isso.
Muitos investigadores acreditam que a resposta pode estar no estranho comportamento dos neutrinos, pequenas partículas que passam constantemente através de nós, mas raramente interagem entre si. Compreender o processo pelo qual os neutrinos oscilam, onde estas partículas mudam o seu “sabor” à medida que se movem, poderia ajudar a explicar porque é que a matéria triunfa sobre a antimatéria.
“Os neutrinos não são bem compreendidos”, disse Joseph Walsh, pesquisador de pós-doutorado na Michigan State University que trabalhou no projeto. “A sua pequena massa significa que não interagem com muita frequência. Centenas de biliões de neutrinos do Sol passam pelo nosso corpo a cada segundo, mas quase todos passam directamente. Precisamos de criar fontes intensas ou utilizar detectores muito grandes para lhes dar oportunidade suficiente de interagir para que possamos vê-los e estudá-los.”
Como funciona o experimento
Tanto o T2K quanto o NOvA são conhecidos como experimentos de linha de base longa. Cada detector envia um feixe focalizado de neutrinos para 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 seu caminho.
Como os experimentos diferem em design, energia e distância, a combinação dos dados permite aos pesquisadores obter uma compreensão mais completa.
“Com a análise conjunta, você pode obter medições mais precisas do que cada experimento poderia produzir individualmente”, diz Liudmila Kolupaeva, colaboradora do NOvA. “Normalmente, os experimentos de física de alta energia têm projetos diferentes, mesmo que tenham os mesmos objetivos científicos. A análise conjunta nos permite explorar as características complementares desses projetos.”
O mistério da massa dos neutrinos
Um foco principal da pesquisa é a chamada “classificação de massa de neutrinos”, que pergunta qual tipo de neutrino é o mais leve. Não é tão simples como pesar as partículas numa balança. Os neutrinos existem em três estados de massa, e cada neutrino é na verdade uma mistura desses estados.
Os cientistas estão tentando determinar se o arranjo das massas segue um padrão “normal” (dois pesados e um pesado) ou um padrão “invertido” (dois pesados e um pesado). Em circunstâncias normais, os neutrinos do múon têm maior probabilidade de serem neutrinos do elétron, enquanto seus parceiros de antimatéria têm menos probabilidade de serem neutrinos do elétron. O oposto acontece no modo invertido.
O desequilíbrio entre os neutrinos e os seus homólogos de antimatéria pode significar que estas partículas violam o princípio da simetria da paridade de carga (CP), o que significa que não se comportam exatamente como as suas imagens espelhadas opostas. Esta violação poderia explicar por que a matéria domina o universo.
o que os resultados mostram
Os resultados combinados de NOvA e T2K não demonstraram conclusivamente nenhum pedido em larga escala. Se estudos futuros confirmarem a ordenação normal, os cientistas ainda precisarão de mais dados para esclarecer se a simetria do CP está quebrada. Mas se a ordem inversa estiver correta, este estudo mostra que os neutrinos podem de facto violar a simetria CP, fornecendo uma pista poderosa sobre a razão pela qual a matéria existe.
Se os neutrinos não violarem a simetria do CP, os físicos perderão uma das explicações mais poderosas para a existência da matéria.
Embora estes resultados não resolvam completamente o mistério dos neutrinos, eles expandem a compreensão dos cientistas sobre estas partículas indescritíveis e demonstram o poder da colaboração internacional em física.
Os parceiros da NOvA incluem mais de 250 cientistas e engenheiros de 49 instituições em oito países. A equipe T2K é composta por mais de 560 membros de 75 instituições em 15 países. Os dois grupos começaram a colaborar nesta análise em 2019, fundindo oito anos de dados NOvA com dez anos 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, ambas envolvendo muitos especialistas em física de neutrinos, tecnologia de detecção e tecnologia de análise, trabalhando em ambientes muito diferentes e usando métodos e ferramentas diferentes”, disse o colaborador do T2K, Tomáš Nosek.
