Uma equipe internacional de cientistas, incluindo pesquisadores do MIT, chegou mais perto de definir a massa do indescritível neutrino. Essas partículas semelhantes a fantasmas permeiam o universo e ainda são consideradas quase sem massa, fluindo aos milhões através de nossos corpos, deixando quase nenhum vestígio físico.

Os pesquisadores determinaram que a massa do neutrino não deve ser superior a 1 elétron volt. Os cientistas estimaram anteriormente o limite superior da massa do neutrino em cerca de 2 elétron-volts, portanto, essa nova estimativa reduz a faixa de massa do neutrino em mais da metade.

A nova estimativa foi determinada com base em dados coletados por KATRIN, o Experimento Karlsruhe Tritium Neutrino, no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe na Alemanha, e relatado na Conferência sobre Astropartículas e Física Subterrânea de 2019 na semana passada. O experimento desencadeia a decomposição do gás trítio, que por sua vez libera neutrinos, junto com os elétrons. Embora os neutrinos se dissipem rapidamente, A sequência de ímãs do KATRIN direciona os elétrons do trítio para o coração do experimento - um espectrômetro gigante de 200 toneladas, onde a massa e energia dos elétrons podem ser medidas, e de lá, os pesquisadores podem calcular a massa dos neutrinos correspondentes.

Joseph Formaggio, professor de física no MIT, é um membro líder do grupo experimental KATRIN, e conversou com o MIT News sobre a nova estimativa e o caminho a seguir na busca de neutrinos.

Q:O neutrino, com base nas descobertas de KATRIN, não pode ter mais massa do que 1 elétron volt. Coloque este contexto para nós:como a luz é isso, e quão importante é que a massa máxima do neutrino possa ser a metade do que as pessoas pensavam anteriormente?

Um poço, essa é uma questão um tanto difícil, uma vez que as pessoas (inclusive eu) não têm realmente uma noção intuitiva do que é a massa de qualquer partícula, mas vamos tentar. Considere algo muito pequeno, como um vírus. Cada vírus é composto por cerca de 10 milhões de prótons. Cada próton pesa cerca de 2, 000 vezes mais do que cada elétron dentro desse vírus. E o que nossos resultados mostraram é que o neutrino tem uma massa inferior a 1/500, 000 de um único elétron.

Deixe-me explicar de outra forma. Em cada centímetro cúbico de espaço ao seu redor, há cerca de 300 neutrinos passando. Estes são remanescentes do universo primordial, logo após o Big Bang. Se você somar todos os neutrinos que residem dentro do sol, você obteria cerca de um quilo ou menos. Então, sim, é pequeno.

Q:O que foi necessário para determinar este novo limite de massa para o neutrino, e qual foi o papel do MIT na pesquisa?

R:Este novo limite de massa vem do estudo da decadência radioativa do trítio, um isótopo de hidrogênio. Quando o trítio se decompõe, ele produz um íon hélio-3, um elétron, e um antineutrino. Na verdade, nunca vimos o antineutrino, Contudo; o elétron carrega informações sobre a massa do neutrino. Ao estudar a distribuição de energia dos elétrons ejetados nas energias mais altas permitidas, podemos deduzir a massa do neutrino, graças à equação de Einstein, E =mc ² .

Contudo, estudar esses elétrons de alta energia é muito difícil. Por uma coisa, todas as informações sobre o neutrino estão embutidas em uma pequena fração do espectro - menos de 1 bilionésimo de decaimentos são úteis para essa medição. Então, precisamos de muito estoque de trítio. Também precisamos medir a energia desses elétrons muito, muito precisamente. É por isso que o experimento KATRIN é tão complicado de construir. Nossa primeira medição apresentada hoje é o culminar de quase duas décadas de trabalho árduo e planejamento.

O MIT se juntou ao experimento KATRIN quando vim para Boston em 2005. Nosso grupo ajudou a desenvolver as ferramentas de simulação para entender a resposta de nosso detector à alta precisão. Mais recentemente, estivemos envolvidos no desenvolvimento de ferramentas para analisar os dados coletados pelo experimento.

Q:Por que a massa de um neutrino é importante, e o que será necessário para zerar sua massa exata?

R:O fato de os neutrinos terem qualquer massa foi uma surpresa para muitos físicos. Nossos modelos anteriores previram que o neutrino deveria ter massa exatamente zero, uma suposição dissipada pela descoberta de que os neutrinos oscilam entre diferentes tipos. Isso significa que não entendemos realmente o mecanismo responsável pelas massas de neutrinos, e é provável que seja muito diferente de como outras partículas atingem massa. Também, nosso universo está repleto de neutrinos primordiais do Big Bang. Mesmo uma pequena massa tem um impacto significativo na estrutura e evolução do universo porque eles são em grande quantidade.

Esta medição representa apenas o início da medição do KATRIN. Com apenas cerca de um mês de dados, fomos capazes de melhorar os limites experimentais anteriores por um fator de dois. Ao longo dos próximos anos, esses limites vão melhorar constantemente, esperançosamente resultando em um sinal positivo (ao invés de apenas um limite). Há também uma série de outros experimentos diretos de massa de neutrino no horizonte que também estão competindo para alcançar maior sensibilidade, e com isso, descoberta.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.