Os investigadores da Universidade de Indiana estão a ajudar a fazer progressos significativos na nossa compreensão do universo através de uma colaboração entre duas importantes experiências internacionais com neutrinos. Os neutrinos são partículas extremamente pequenas, quase sem massa, que viajam constantemente pelo espaço, pelos planetas e até pelos nossos corpos, mas raramente interagem com alguma coisa. Resultados de pesquisa publicados em revista natureza Aproximar os cientistas da resposta a uma questão profunda: Porque é que o Universo contém matéria como estrelas, planetas e vida, em vez de ser vazio?
A descoberta vem de uma análise conjunta sem precedentes de dados do experimento NOvA dos EUA e do experimento T2K do Japão. Esses dois projetos de neutrinos de longa distância estão entre os mais complexos do gênero. Ao combinar os seus resultados, os investigadores podem estudar melhor os neutrinos e os seus homólogos de antimatéria, fornecendo informações sobre a razão pela qual o Universo não se autodestruiu imediatamente após o Big Bang.
Em ambos os experimentos, os cientistas usam aceleradores de partículas para gerar feixes de neutrinos e enviá-los através de vastas distâncias subterrâneas até grandes detectores. Detectá-los é muito difícil. Das inúmeras partículas produzidas, apenas uma pequena fração deixa um sinal mensurável. Detectores avançados e software poderoso são então usados para reconstruir essas interações raras e estudar como os neutrinos mudam à medida que viajam.
A Universidade de Indiana tem desempenhado um papel importante neste trabalho há décadas. Cientistas da Universidade de Indiana contribuíram para construir o sistema detector, interpretando os dados e orientando jovens pesquisadores. Mark Messier, distinto professor da Faculdade de Artes e Ciências e presidente do Departamento de Física da IU Bloomington, lidera o programa desde 2006. Outros pesquisadores da IU envolvidos no projeto incluem os físicos Jon Urheim e James Musser (emérito), o professor de astronomia Stuart Mufson (emérito) e Jonathan Karty do Departamento de Química da IU.
Neutrinos e o mistério da matéria-antimatéria
Os neutrinos são uma das partículas mais comuns do universo. Eles não carregam carga elétrica e quase não têm massa, o que os torna extremamente difíceis de detectar. No entanto, as mesmas propriedades os tornam ferramentas valiosas para explorar as leis mais profundas da física.
Um dos maiores mistérios da cosmologia é por que o universo é dominado pela matéria. O Big Bang deveria ter criado quantidades iguais de matéria e antimatéria. Quando matéria e antimatéria se encontram, elas se aniquilam em uma explosão de energia. Se houvesse quantidades exatamente iguais de ambos no universo primitivo, tudo teria desaparecido. Em vez disso, ligeiros desequilíbrios favorecem a matéria, permitindo a formação de galáxias, estrelas, planetas e vida.
Os cientistas pensam que os neutrinos podem ajudar a explicar este desequilíbrio. Os neutrinos existem em três formas, nomeadamente elétrons, múons e tauons. À medida que se movem pelo espaço, podem mudar de um sabor para outro num processo chamado oscilação. Se os neutrinos e os antineutrinos oscilarem de maneiras diferentes, a diferença poderia indicar por que a matéria acaba prevalecendo.
NOvA une forças com T2K
O novo estudo da Nature é notável porque combina dados de dois grandes observatórios de neutrinos. NOvA (NuMI Off-Axis νe Appearance Experiment) envia um feixe de neutrinos a 810 quilômetros do Fermi National Accelerator Laboratory, perto de Chicago, para um detector de 14.000 toneladas em Ash River, Minnesota. Ao mesmo tempo, o programa T2K do Japão envia feixes do acelerador J-PARC no Mar da China Oriental para o grande detector Super-Kamiokande na base do Monte Ikeno, a 295 quilómetros de distância.
Ao analisar os resultados em conjunto, os investigadores melhoraram a sua capacidade de medir o comportamento dos neutrinos. De acordo com o comunicado de imprensa natureza“A análise combinada explora as sensibilidades complementares dos dois experimentos e demonstra o valor da colaboração.” A maior distância do NOvA através da Terra, enquanto o feixe mais curto mas mais intenso do T2K, proporciona vantagens complementares, permitindo aos cientistas comparar e refinar as suas medições com uma precisão excepcional.
Reunir o conjunto de dados permitiu à equipe determinar melhor os parâmetros que controlam as oscilações dos neutrinos, particularmente aqueles relacionados à diferença entre neutrinos e antineutrinos. Os resultados focaram na simetria CP (simetria de paridade de carga), que afirma que matéria e antimatéria deveriam obedecer às mesmas leis físicas e comportar-se como imagens espelhadas uma da outra.
No entanto, a grande maioria do universo observável é composta de matéria, restando muito pouca antimatéria do Big Bang. As descobertas combinadas sugerem que pode haver diferenças na forma como os neutrinos e antineutrinos oscilam, sugerindo uma possível violação da simetria do CP. Simplificando, os neutrinos podem não se comportar exatamente como os seus homólogos de antimatéria. Esta distinção subtil pode ser uma pista chave para a sobrevivência da matéria.
“Estamos progredindo nesta questão muito grande e aparentemente intratável: por que existe algo em vez de nada?” Professor Messier disse. “Além disso, lançamos as bases para futuros programas de investigação destinados a utilizar neutrinos para resolver outras questões.”
Tecnologia, treinamento e colaboração global
Experimentos de física de partículas em grande escala geralmente produzem benefícios que vão além da ciência básica. As tecnologias desenvolvidas para detectar neutrinos, incluindo a electrónica de alta velocidade e os sistemas avançados de análise de dados, encontram frequentemente aplicações práticas na indústria. Este esforço conjunto de pesquisa foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA.
“A física de altas energias levou a inovações tecnológicas transformadoras em todas as áreas da sociedade”, observou Messier. “Além disso, a próxima geração de cientistas está imersa em ciência de dados, aprendizado de máquina, inteligência artificial e eletrônica, e depois entra em vários setores usando as habilidades profundas que adquiriram ao tentar responder a essas questões realmente difíceis.”
A colaboração entre NOvA e T2K envolve centenas de cientistas de mais de uma dezena de países dos Estados Unidos, Europa e Japão. A sua análise conjunta demonstra o poder científico da colaboração internacional.
Doutorado da Universidade de Indiana. os alunos atualmente envolvidos nesta pesquisa conjunta incluem Reed Bowles, Alex Chang, Hanyi Chen, Erin Ewart, Hannah LeMoine e Maria Manrique-Plata. Desde o lançamento do NOvA em 2014, Messier e seus colegas também orientaram vários estudantes de graduação e pós-graduação da IU em experimentos.
A colaboração fornece uma prévia de como funcionarão futuros projetos de física de grandes partículas. Para a Universidade de Indiana e seus colaboradores, esses resultados abrem portas para estudos mais precisos baseados neste trabalho.
“Como físico, acho interessante que uma grande questão, como por que existe matéria e não antimatéria no universo, possa ser dividida em questões menores, passo a passo”, disse Messier. “Em vez de ficarmos pasmos com a sua enormidade, podemos progredir na descoberta de respostas para a razão pela qual existimos no universo.”
