Após uma década de recolha e estudo de dados, uma equipa internacional de físicos, incluindo investigadores da Universidade Rutgers, derrubou ideias de longa data sobre o misterioso tipo de partícula.
Os resultados foram publicados em natureza Experimento MicroBooNE do Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) do Departamento de Energia dos EUA em Batavia, Illinois. (A abreviatura MicroBooNE significa “MicroBooster Neutrino Experiment”.)
Uma década de testes no Fermilab
MicroBooNE depende de observações de um grande detector de argônio líquido e dois feixes de neutrinos independentes. Ao acompanhar cuidadosamente o comportamento dos neutrinos, os cientistas conseguiram descartar a existência de um único neutrino estéril com 95% de certeza.
Andrew Mastbaum, professor associado do Departamento de Física e Astronomia do Rutgers College of Arts and Sciences e membro da equipe de liderança do MicroBooNE, descreveu a descoberta como uma grande mudança na área.
“Este resultado irá desencadear ideias inovadoras na investigação de neutrinos para compreender o que realmente está a acontecer”, disse ele. “Podemos descartar um grande suspeito, mas isso não resolve completamente o mistério.”
Por que os neutrinos são importantes
Os neutrinos são partículas extremamente pequenas que raramente interagem com a matéria. Eles podem voar por todo o planeta sem diminuir a velocidade. De acordo com o Modelo Padrão, principal estrutura da física de partículas, existem três tipos conhecidos de neutrinos: elétrons, múons e tauons. Essas partículas podem mudar de um tipo para outro através de um fenômeno chamado oscilação.
No entanto, em experiências anteriores, os cientistas observaram o comportamento dos neutrinos que não correspondia exactamente às previsões do Modelo Padrão. Para explicar estes resultados, os investigadores propuseram a existência de um quarto tipo de neutrino, denominado neutrinos estéreis. Ao contrário dos tipos conhecidos, os neutrinos estéreis não interagem com a matéria, exceto através da gravidade, tornando-os extraordinariamente difíceis de detectar.
Teste para neutrinos estéreis
Para investigar esta ideia, a equipa do MicroBooNE mediu neutrinos produzidos por dois feixes diferentes e analisou como eles mudavam à medida que se propagavam. Depois de uma década coletando e interpretando dados, os pesquisadores não encontraram nenhuma evidência que apoiasse a hipótese do neutrino estéril. Isso efetivamente nega uma das explicações mais amplamente discutidas para o comportamento incomum dos neutrinos.
Como Coordenador de Ferramentas e Técnicas Analíticas, Masterbaum desempenha um papel central no direcionamento dos esforços de análise experimental. Seu trabalho se concentra na conversão de sinais brutos de detectores em conclusões científicas significativas. Anteriormente, ele também liderou os esforços da equipe para compreender a incerteza sistêmica, uma possível fonte de erros de medição.
Essas incertezas incluem como os neutrinos interagem com os núcleos atômicos, o número exato de neutrinos no feixe e como os próprios detectores respondem às partículas que chegam. A consideração precisa destes fatores é fundamental para tirar conclusões confiáveis dos dados.
Acertar estas incertezas é crucial, disse Masterbaum, porque permite aos cientistas fazer declarações fortes e fiáveis sobre o que os dados realmente mostram.
Pesquisadores de pós-graduação e precisão dos dados
Alunos de pós-graduação da Rutgers também contribuíram para o projeto. Panagiotis Englezos é estudante de doutorado no Departamento de Física e Astronomia da Faculdade de Artes e Ciências da Rutgers University e trabalha na equipe de gerenciamento de dados MicroBooNE, ajudando a processar dados experimentais e criar simulações que apoiam a análise.
Keng Lin, outro estudante de doutorado no departamento, concentrou-se na validação do fluxo de neutrinos do feixe NuMI (neutrino do injetor principal) do Fermilab, uma das duas fontes de neutrinos usadas no estudo. Juntos, esses esforços ajudam a garantir a precisão e a confiabilidade dos resultados finais.
o que isso significa para a física
Segundo Masterbaum, a descoberta é significativa porque elimina o principal candidato a uma nova física além do Modelo Padrão. Embora o Modelo Padrão seja muito bem-sucedido, ele não explica fenômenos como matéria escura, energia escura ou gravidade. Os investigadores continuam a procurar pistas fora do modelo, e eliminar uma possibilidade pode ajudar a estreitar o campo.
Os cientistas da Rutgers também ajudaram a melhorar os métodos para medir como os neutrinos interagem no argônio líquido. Essas técnicas aprimoradas beneficiarão projetos futuros, incluindo o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).
“Através de modelagem cuidadosa e métodos analíticos inteligentes, a equipe do MicroBooNE obteve uma quantidade incrível de informações deste detector”, disse Mastbaum. “Através de experiências de próxima geração, como Dune, já estamos a utilizar estas técnicas para abordar questões mais fundamentais sobre a natureza da matéria e a existência do universo.”
