Os neutrinos são extremamente difíceis de detectar, mas estão entre as partículas de matéria mais abundantes no universo. De acordo com o Modelo Padrão da física de partículas, três tipos são conhecidos. Isso mudou quando os cientistas descobriram as oscilações dos neutrinos, um fenômeno que sugere que os neutrinos têm massa e podem alternar entre tipos à medida que se movem pelo espaço. Ao longo dos anos, resultados experimentais inexplicáveis alimentaram especulações sobre um quarto neutrino estéril, que interage de forma mais fraca do que outros neutrinos. A confirmação da sua existência marcaria uma grande mudança na nossa compreensão da física fundamental.
Um novo estudo publicado em natureza Relata a pesquisa direta mais precisa de neutrinos estéreis até o momento. O trabalho vem da colaboração KATRIN, que analisa o decaimento radioativo do trítio em busca de sinais sutis de outros tipos de neutrinos.
O experimento KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) foi originalmente projetado para medir a massa dos neutrinos. Ele faz isso rastreando cuidadosamente a energia do elétron liberada durante o decaimento beta do trítio. Quando o trítio decai, os neutrinos retiram parte da energia, o que altera ligeiramente o padrão de energia dos elétrons emitidos. Se um neutrino estéril for produzido de tempos em tempos, ele pode deixar uma distorção perceptível, ou “torção”, no padrão.
O KATRIN está localizado no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha, e tem mais de 70 metros de comprimento. Sua configuração inclui uma poderosa fonte de trítio gasoso sem janelas, um espectrômetro de alta resolução que mede com precisão a energia dos elétrons e um detector que registra as partículas. Desde que começou a operar em 2019, o experimento coletou dados de decaimento beta do trítio com precisão incomparável, procurando especificamente pequenos desvios das expectativas para neutrinos estéreis.
O que os dados revelam sobre neutrinos estéreis
em novo natureza No artigo, a equipe relata a pesquisa mais sensível do decaimento beta do trítio até o momento para neutrinos estéreis. Entre 2019 e 2021, o KATRIN registrou aproximadamente 36 milhões de elétrons durante 259 dias de coleta de dados. Essas medições foram comparadas com modelos detalhados de decaimento beta com uma precisão superior a um por cento. A análise não encontrou evidências de neutrinos estéreis.
Este resultado exclui uma ampla gama de possibilidades sugeridas por anomalias anteriores. Essas anomalias incluem falhas inesperadas em experimentos de neutrinos em reatores e medições de fontes de gálio, ambas sugerindo a existência de um quarto neutrino. Estas descobertas também contradizem completamente a experiência Neutrino-4, que afirmava haver evidências de tais partículas.
O fundo extremamente baixo do KATRIN significa que quase todos os elétrons detectados se originam do decaimento do trítio, permitindo medições muito limpas do espectro de energia. Ao contrário dos experimentos de oscilação que analisam como os neutrinos mudam suas propriedades após percorrerem uma certa distância, o KATRIN examina a distribuição de energia dos neutrinos quando eles são produzidos. Como esses métodos detectam diferentes aspectos do comportamento dos neutrinos, eles se complementam e, juntos, fornecem fortes evidências contra a hipótese do neutrino estéril.
Como o KATRIN complementa outros experimentos
“Os nossos novos resultados são completamente complementares às experiências com reactores como o STEREO,” explica Thierry Lasserre do Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg, que liderou a análise. “Embora os experimentos com reatores sejam mais sensíveis à divisão de massa ativa estéril abaixo de alguns eV2KATRIN explorou a faixa de alguns eV² a centenas de eV². Juntos, esses dois métodos excluem neutrinos estéreis leves que se misturariam significativamente com tipos conhecidos de neutrinos. “
Ansioso por mais dados e novos detectores
O KATRIN continuará a recolher dados até 2025, o que aumentará ainda mais a sua sensibilidade e permitirá testes mais rigorosos de neutrinos estéreis leves. “Ao completar a coleta de dados em 2025, o KATRIN terá registrado mais de 220 milhões de elétrons na região de interesse, aumentando as estatísticas em mais de seis vezes”, disse a co-porta-voz do KATRIN, Kathrin Valerius (KIT). “Isso nos permitirá ultrapassar os limites da precisão e dos ângulos de mistura de detecção abaixo dos limites atuais.”
Uma atualização está prevista para 2026, quando o detector TRISTAN será adicionado ao experimento. TRISTAN registrará o espectro completo de decaimento beta do trítio com dados estatísticos sem precedentes. Ao contornar o espectrômetro principal e medir diretamente as energias dos elétrons, o TRISTAN será capaz de estudar neutrinos estéreis mais pesados. A co-porta-voz Suzanne Mertens (Instituto Max Planck de Física Nuclear) disse: “Este dispositivo de próxima geração abrirá uma nova janela para a faixa de massa keV, onde neutrinos estéreis podem até formar a matéria escura do universo”.
esforços científicos internacionais
A colaboração KATRIN reúne cientistas de mais de 20 instituições em sete países e reflete o esforço global por trás de um dos experimentos com neutrinos mais precisos já realizados.
