Após anos de investigação cuidadosa, os pesquisadores que trabalham no Experimento MicroBooster Neutrino (MicroBooNE) determinaram que uma partícula de neutrino estéril há muito hipotetizada não existe. Esta partícula proposta é amplamente discutida como uma possível resposta para problemas não resolvidos na física de partículas. A equipe relata suas descobertas na revista Nature, que restringem significativamente o escopo das explicações para um dos mistérios mais duradouros dos neutrinos.
“Os neutrinos são partículas elementares evasivas que são difíceis de detectar experimentalmente, mas estão entre as mais abundantes no universo”, disse David Caratelli, professor assistente de física na UC Santa Bárbara que atuou como coordenador de física experimental durante a análise. Ele explicou que experiências anteriores produziram resultados inconsistentes com o conhecimento existente, levando os cientistas a especular sobre a existência de um quarto neutrino, um neutrino “estéril”. No entanto, novas medições do MicroBooNE mostram que esta ideia não corresponde aos dados.
Caratelli acredita que eliminar a hipótese do neutrino estéril representa um grande avanço. Os resultados abrem caminho para explorar novas possibilidades e ajudam a preparar o terreno para experiências maiores e mais avançadas com neutrinos.
Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA e pela National Science Foundation.
Por que os neutrinos ainda confundem os físicos
O Modelo Padrão fornece uma estrutura bem testada para a compreensão das forças e partículas fundamentais que moldam o universo. Mesmo assim, algumas grandes questões permanecem sem resposta.
“Sabemos que o Modelo Padrão descreve muito bem muitos fenômenos do mundo natural”, disse Matthew Toups, cientista sênior do Fermilab e co-porta-voz da MicroBooNE. “Ao mesmo tempo, sabemos que está incompleto. Não explica a matéria escura, a energia escura ou a gravidade.”
Os neutrinos representam uma dessas lacunas. Quando o Modelo Padrão foi desenvolvido, presumia-se que os neutrinos não tinham massa. Esta suposição começou a ser derrubada no final do século 20, quando experimentos observando neutrinos vindos do espaço revelaram um comportamento inesperado. Certos tipos de neutrinos parecem desaparecer à medida que viajam.
Os cientistas perceberam que os neutrinos vêm em três sabores – sabores de elétron, múon e tau – e que esses sabores mudam à medida que os neutrinos se movem pelo espaço. Este processo é chamado de oscilação e significa que o neutrino deve ter massa.
“A única maneira dessa oscilação ocorrer seria se o neutrino tivesse massa”, explicou Caratelli. “Isso não está previsto pelo Modelo Padrão.”
hipótese do neutrino estéril
Na década de 1990, novos experimentos aprofundaram o mistério. Pesquisas conduzidas no Detector de Neutrinos Cintiladores Líquidos (LSND) do Laboratório Nacional de Los Alamos e mais tarde no experimento MiniBooNE do Fermilab observaram neutrinos de múon se transformando em neutrinos de elétrons de uma forma que não poderia ser explicada usando apenas os três tipos de neutrinos conhecidos.
“A explicação mais popular para estas anomalias nos últimos 30 anos tem sido o hipotético neutrino estéril”, disse Justin Evans, professor da Universidade de Manchester e co-porta-voz da MicroBooNE.
Ao contrário dos neutrinos, que são conhecidos por interagir com outras partículas através da força eletrofraca, os neutrinos estéreis não interagem com a matéria da mesma maneira. Isto torna a detecção direta extremamente difícil.
Como o MicroBooNE testa essa teoria
Para examinar essas anomalias mais de perto, os cientistas construíram o MicroBooNE no Fermilab, um detector projetado para capturar interações de neutrinos com detalhes sem precedentes.
Entre 2015 e 2021, o experimento registrou neutrinos produzidos por dois feixes no local do Fermilab. Esses feixes enviam neutrinos para uma câmara de projeção temporal de argônio líquido, onde suas interações podem ser observadas com alta precisão.
“Geramos um neutrino e colocamos o detector na melhor posição para maximizar a probabilidade de encontrar esse neutrino estéril”, disse Caratelli. “Efetivamente, o que fazemos é gerar um neutrino do múon, e se um neutrino estéril estiver presente, veremos o surgimento de um neutrino do elétron.”
A equipe comparou o número de neutrinos de elétrons detectados com previsões baseadas em modelos que incluíam e não incluíam neutrinos estéreis. “Basicamente, o que procuramos é o impacto deste fenômeno de oscilação no surgimento de novos neutrinos de elétrons”.
Os resultados não mostraram tal efeito. Os dados são consistentes com as expectativas de um universo sem neutrinos estéreis, descartando efetivamente a existência da partícula. Esta conclusão baseia-se em pesquisas anteriores lideradas por uma equipe da UC Santa Barbara e publicadas na Physical Review Letters no verão de 2025, que também não encontraram excesso de neutrinos de elétrons.
Um ponto de viragem na investigação de neutrinos
Embora a explicação do neutrino estéril tenha sido arquivada, as anomalias originais observadas pelo LSND e pelo MiniBooNE ainda não foram totalmente resolvidas.
“Acho que esta é uma mudança de paradigma para nós”, disse Caratelli. Como as hipóteses de décadas atrás já não são viáveis, os investigadores estão agora a explorar uma gama mais ampla de ideias que poderiam explicar observações estranhas e potencialmente lançar luz sobre questões mais profundas, incluindo a natureza da matéria escura.
“Estamos buscando opções mais diversas”, disse Caratelli. Ferramentas e técnicas aprimoradas durante os experimentos MicroBooNE estão agora sendo aplicadas a estudos mais complexos com múltiplos detectores.
Uma ideia alternativa envolve fótons que podem ter sido identificados incorretamente em experimentos anteriores ou podem apontar para uma nova física. Xiao Luo, professor de física na UC Santa Barbara e colaborador do MicroBooNE, publicou recentemente uma análise preliminar explorando essa possibilidade. Espera-se que trabalhos futuros do Programa Short Baseline Neutrino do Fermilab explorem essas questões com mais detalhes.
Olhando para a próxima geração de experimentos
Ao mesmo tempo, a construção do Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) está progredindo. Construído a 1,6 km abaixo do Centro de Pesquisa Subterrânea de Sanford, em Dakota do Sul, o DUNE será o maior detector de neutrinos já construído. Ele receberá um feixe intenso de neutrinos de alta energia enviado através da Terra pelo Fermilab, a 1.300 quilômetros de distância.
“O MicroBooNE é grande, do tamanho de um ônibus escolar. Mas o DUNE é do tamanho de um campo de futebol”, disse Caratelli. A escala e a precisão das dunas poderão ajudar a responder a questões não só sobre o comportamento dos neutrinos, mas também sobre a razão pela qual existe mais matéria do que antimatéria no Universo.
Caratelli disse que o MicroBooNE desempenha um papel fundamental em ajudar os cientistas a se prepararem para o que vem a seguir.
“Uma das principais coisas que o MicroBooNE fez foi nos dar confiança e nos ensinar como usar essa tecnologia para medir neutrinos com alta precisão”, disse ele. “Tudo o que aprendemos com o MicroBooNE sobre como analisar os dados que chegam ao detector é diretamente aplicável ao DUNE.”
