A região francesa de Savoy é mais conhecida por suas pistas de esqui com pinheiros e pitorescas aldeias alpinas. Menos conhecido é o fato de que, bem abaixo de algumas dessas encostas, os cientistas estão investigando um dos maiores mistérios da física:a origem da matéria.

O túnel rodoviário de Fréjus na região transporta o tráfego entre a cidade francesa de Modane e a cidade italiana de Bardonecchia. Faça um passeio pelo túnel, e você poderá notar - no meio - uma porta verde despretensiosa na parede do túnel. Esta porta de metal resistente separa o sufocante, ar com infusão de diesel do túnel rodoviário do limpo, ambiente controlado do Laboratoire Souterraine de Modane, O laboratório subterrâneo mais profundo da Europa que abriga um experimento de física de partículas chamado SuperNEMO.

O detector SuperNEMO, cerca de seis metros de comprimento, quatro metros de altura e três metros de largura, fica em uma sala limpa rigidamente controlada para protegê-la da contaminação pelas diminutas quantidades de radioatividade natural presentes na sujeira e na poeira. A própria montanha fornece proteção contra os raios cósmicos que bombardeiam continuamente a superfície do nosso planeta. Essa proteção é necessária, já que o trabalho do SuperNEMO é vigiar mais de sete quilos de selênio e procurar uma das formas mais raras de radioatividade que existe:o decaimento do beta duplo.

Todos os elementos radioativos são instáveis ​​e decaem (dividem-se) para um estado estável devido a mudanças no núcleo atômico (que consiste em prótons e nêutrons). O decaimento beta duplo é um processo pelo qual dois nêutrons em um núcleo de selênio decaem simultaneamente em prótons, enquanto emite dois elétrons e duas partículas chamadas antineutrinos.

Antineutrinos são um exemplo de "antimatéria". Todas as partículas de matéria têm versões de antipartículas de si mesmas - quase idênticas, mas com carga oposta. Quando uma partícula e uma antipartícula se encontram, eles aniquilam em um lampejo de energia.

Partículas enigmáticas

Os antineutrinos são intrigantes. Veja a maneira como eles giram, por exemplo. Muitas partículas giram enquanto viajam, mas os neutrinos parecem girar apenas para um lado. Todos os neutrinos giram no sentido anti-horário enquanto viajam - e todos os antineutrinos giram no sentido horário. Não temos ideia de por que esse é o caso.

Depois, há sua massa:os neutrinos são muitos, muitas vezes mais leve do que qualquer outra partícula com massa - muito mais leve que ainda não fomos capazes de medir diretamente sua pequena massa. O neutrino é um outlier entre as partículas - e quando os cientistas veem outliers, não podemos deixar de suspeitar que há algum significado mais profundo por trás da inconsistência que poderia revelar uma verdade profunda sobre as leis da natureza. As sementes de uma teoria para explicar as muitas excentricidades do neutrino estão em uma observação relativamente mundana:ao contrário de outras partículas, o neutrino não tem carga elétrica.

Mas sem carga elétrica, como o antineutrino difere do neutrino? Definitivamente, há alguma diferença. Os tipos de neutrinos e antineutrinos que a SuperNEMO está examinando são do chamado tipo de elétron. Quando os neutrinos interagem com a matéria, eles produzem elétrons carregados negativamente, mas quando os antineutrinos interagem com a matéria, eles produzem pósitrons carregados positivamente, a antipartícula do elétron. Mas antes que o neutrino ou antineutrino interaja, como ele sabe qual é?

Essa profunda questão levou o físico italiano Ettore Majorana a considerar se o neutrino e o antineutrino poderiam de fato ser exatamente a mesma partícula, apenas girando em direções opostas.

Se os antineutrinos criados no decaimento beta duplo que o SuperNEMO está procurando têm a capacidade de se comportar como neutrinos, então, apenas ocasionalmente, um deles pode fazer isso. Isso significaria que você teria um antineutrino e um neutrino próximos um do outro - o que significaria que eles poderiam aniquilar um ao outro. Se isso acontecer, os dois elétrons produzidos no decaimento do beta duplo receberiam um impulso extra de energia da aniquilação - e é isso que o SuperNEMO está procurando:um pequeno impulso de energia que exigiria que repensássemos como matéria e antimatéria estão relacionadas.

Paciência é a chave para essa busca. A meia-vida do decaimento do beta duplo no selênio - esse é o tempo que você teria que esperar antes que um átomo tivesse 50% de chance de ter decaído - é 10 ²⁰ anos. Isso é um 1 com 20 zeros depois dele:pegue o tempo de vida do universo e adicione outros dez zeros. E mesmo quando ocorre um decaimento de beta duplo, a chance de os dois antineutrinos se aniquilarem é mínima - se é que acontece. Nós compensamos isso tendo muitos átomos de selênio em nosso detector, mas ainda estamos procurando por apenas uma ou duas dessas decadências a cada ano.

A origem da matéria

Se observarmos tal decaimento radioativo, teríamos que reescrever o bem-sucedido Modelo Padrão de Física de Partículas. Esta seria uma grande descoberta em si mesma. O modelo padrão contém regras estritas, chamadas de leis de conservação, sobre o que pode e não pode acontecer em decaimentos e interações de partículas. Se nossos dois antineutrinos se aniquilarem (porque um deles se comportou como um neutrino na época), então, o decaimento beta duplo produziria dois elétrons semelhantes à matéria e nenhuma antimatéria para equilibrá-los. Isso não é permitido no modelo padrão, o que requer que a matéria e a antimatéria sejam sempre produzidas em quantidades iguais.

Isso nos leva a uma das questões mais profundas da física:por que há mais matéria do que antimatéria no universo? Você pode pensar que já sabemos a resposta para isso:o Big Bang produziu toda a matéria. Nós vamos, sim fez, mas também deveria ter produzido uma quantidade igual de antimatéria. Então, por que toda matéria e antimatéria não se aniquilaram para não deixar nada além de um mar de luz?

Se o neutrino e o antineutrino são realmente a mesma partícula, o modelo padrão revisado resultante permitiria que você adicionasse mais dessas partículas semelhantes a neutrinos em seu modelo. Algumas dessas partículas semelhantes a neutrino podem ser pesadas em vez de leves; e quero dizer muito pesado - tão pesado que o Grande Colisor de Hádrons não foi capaz de produzi-los, e tão pesados ​​que eram comuns apenas no calor, densas condições do universo primordial.

Uma vez que este modelo padrão revisado tem um mecanismo para quebrar a simetria entre matéria e antimatéria, esses neutrinos superpesados ​​também têm a capacidade de "escolher" decair em matéria ao invés de antimatéria, fornecendo ao universo primitivo a matéria extra que agora vemos. Se não, toda a matéria e antimatéria teriam se aniquilado e não haveria estrelas, os planetas, e nós.

Então, se você estiver na região de Savoy, na França, aproveitando um pouco de aprés-ski depois de um dia nas pistas, pense no detector SuperNEMO - e nos físicos de partículas como eu, bem abaixo de você, esperando pacientemente por aquele decaimento radioativo que poderia explicar como você chegou lá.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.