Ao analisar os dados coletados há mais de oito anos, cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) e do Laboratório do Acelerador Nacional de Fermi fizeram uma descoberta potencialmente inovadora.

Em 2002, cientistas começaram o experimento Booster Neutrino, conhecido como MiniBooNE, no Fermilab para aprender mais sobre como os neutrinos - muito leves, partículas fundamentais neutras - interagem com a matéria. Cientistas reexaminaram recentemente os dados do experimento realizado entre 2009 e 2011, e eles encontraram a primeira evidência direta de neutrinos monoenergéticos, ou neutrinos com energia definida, que são energéticos o suficiente para produzir um múon.

Neutrinos são extremamente leves e são influenciados apenas pela força subatômica fraca, então eles raramente interagem com a matéria. Na verdade, eles podiam viajar anos-luz de chumbo antes de interagir com ele. As partículas são muito difíceis de detectar, mas não é difícil de criar. Por causa da indefinição do neutrino, os cientistas precisam trabalhar com feixes compostos por um grande número de partículas. Eles disparam os feixes nos núcleos de um detector, esperando que os neutrinos colidam com o material alvo.

"Uma complicação de usar esses grandes feixes é que as energias dos neutrinos são amplamente variadas e um tanto imprevisíveis, "disse o físico de Argonne Joe Grange, um dos cientistas que ajudaram a descobrir neutrinos monoenergéticos. "Isso torna difícil interpretar totalmente os dados."

A nova descoberta pode ajudar os experimentalistas a resolver esse problema. Os cientistas perceberam que neutrinos monoenergéticos estavam sendo liberados de uma linha de luz de neutrino próxima no Fermilab, e eles decidiram examinar os dados do MiniBooNE para ver se algum desses neutrinos foi detectado durante o experimento.

Com certeza, a análise dos dados do MiniBooNE mostrou evidências de milhares de colisões de neutrino-núcleo, onde todos os neutrinos começaram com a mesma energia, 236 megelétron-volts (MeV). Durante o experimento MiniBooNE, partículas chamadas kaons criadas em um absorvedor de prótons de outro experimento decaíram em partículas chamadas múons e neutrinos do múon. Os neutrinos do múon então viajaram para o detector MiniBooNE. Porque os kaons estavam em repouso quando decaíram, e porque eles decaíram em apenas duas partículas, todos os neutrinos tinham a mesma quantidade de energia inicial antes de colidirem com os núcleos no detector MiniBooNE.

A decadência de um kaon é uma reação bem conhecida. "Com esta descoberta, podemos melhorar nossa compreensão de como os neutrinos interagem com a matéria e também planejar experimentos futuros que possam alavancar essa interação para a busca de novos processos físicos, "disse Grange. Canalizar esta decadência como uma fonte de neutrinos para experimentos eliminaria a incerteza das energias dos neutrinos, tornando as análises mais simples e potencialmente mais esclarecedoras.

Além de inspirar futuras configurações experimentais, os dados também estão ajudando os cientistas a aprender sobre o comportamento dos núcleos quando bombardeados com neutrinos e podem ajudá-los a refinar os modelos das interações. Quando um neutrino de múon colide com um núcleo em um detector, um múon com uma de uma gama de energias diferentes pode aparecer. É este espectro de possíveis energias dos novos múons que os cientistas observaram diretamente neste estudo, e fala sobre a maneira como o neutrino transfere energia para o núcleo ao entrar em contato.

"Muito trabalho foi feito atirando elétrons nos núcleos e vendo como eles se comportam eletromagneticamente, "disse Grange." Mas menos trabalho foi feito para ver como os neutrinos interagem fracamente por causa da dificuldade de trabalhar com os neutrinos. "

O aspecto experimental desta descoberta também pode ajudar os cientistas a pesquisar o neutrino estéril teorizado, um neutrino que só interage pela força gravitacional e não pela força fraca. Um experimento de meados da década de 1990 no Laboratório Nacional de Los Alamos do DOE rendeu dados de neutrinos incompatíveis com os dados de um experimento separado no laboratório europeu CERN, e essa discrepância pode ser explicada pela existência dessa partícula "fantasma".

O objetivo original do experimento MiniBooNE era confirmar ou refutar a existência de neutrinos estéreis. Embora o experimento possa acabar inconclusivo, a nova descoberta das profundezas de seus dados poderia ajudar futuros experimentalistas a detectar sua existência. Os cientistas já estão trabalhando em experimentos que usarão neutrinos desse decaimento de Kaon específico para procurar neutrinos estéreis.

"É uma bela história sobre como se passaram quase cinco anos antes de percebermos que havia algo importante nos dados, "disse Grange." A moral da história é manter todos os dados e continuar pensando sobre que outras informações estão lá que você ainda não extraiu. "

Os resultados do estudo foram publicados em um artigo intitulado "Primeira medição de interações de corrente carregadas com neutrino de muon monoenergético" em Cartas de revisão física .