O layout e os principais recursos da instalação experimental KATRIN no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe. Crédito:Instituto de Tecnologia de Karlsruhe
Uma equipe internacional de cientistas anunciou um avanço em sua busca para medir a massa do neutrino, um dos mais abundantes, ainda evasivo, partículas elementares em nosso universo.
Na conferência Tópicos em Astropartículas e Física Subterrânea de 2019 em Toyama, Japão, líderes do experimento KATRIN relataram em 13 de setembro que o intervalo estimado para a massa restante do neutrino não é maior que 1 elétron volt, ou eV. Esses resultados inaugurais obtidos no início deste ano pelo experimento Karlsruhe Tritium Neutrino - ou KATRIN - cortaram a faixa de massa do neutrino em mais da metade, diminuindo o limite superior da massa do neutrino de 2 eV para 1 eV. O limite inferior para a massa do neutrino, 0,02 eV, foi definido por experiências anteriores de outros grupos.
"Conhecer a massa do neutrino permitirá aos cientistas responder a questões fundamentais da cosmologia, astrofísica e física de partículas, por exemplo, como o universo evoluiu ou que física existe além do modelo padrão, "disse Hamish Robertson, um cientista KATRIN e professor emérito de física da Universidade de Washington. "Essas descobertas da colaboração KATRIN reduzem a faixa de massa anterior para o neutrino por um fator de dois, colocam critérios mais rigorosos sobre o que a massa do neutrino realmente é, e fornecer um caminho a seguir para medir seu valor definitivamente. "
O experimento KATRIN é baseado no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha, e envolve pesquisadores de 20 instituições de pesquisa em todo o mundo. Além da Universidade de Washington, As instituições membros da KATRIN nos Estados Unidos são:
Sob Robertson e Wilkerson, a Universidade de Washington tornou-se uma das instituições-membro fundadoras do KATRIN em 2001. Wilkerson mudou-se mais tarde para a Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill. Formaggio e Parno começaram seu envolvimento com KATRIN como pesquisadores da UW e mais tarde mudaram-se para suas instituições atuais. Além de Robertson, outros cientistas atuais da UW que trabalham no experimento KATRIN são o professor pesquisador de física Peter Doe, professor associado de pesquisa de física Sanshiro Enomoto e Menglei Sun, um pesquisador de pós-doutorado no Centro de Física Nuclear Experimental e Astrofísica da UW.
Os neutrinos são abundantes. Eles são uma das partículas fundamentais mais comuns em nosso universo, perdendo apenas para os fótons. No entanto, os neutrinos também são evasivos. São partículas neutras sem carga e interagem com outras matérias apenas por meio da apropriadamente denominada "interação fraca, "o que significa que as oportunidades de detectar neutrinos e medir sua massa são raras e difíceis.
O espectrômetro para o experimento KATRIN, enquanto ele passa pela cidade alemã de Eggenstein-Leopoldshafen em 2006 a caminho do vizinho Instituto de Tecnologia de Karlsruhe. Crédito:Instituto de Tecnologia de Karlsruhe
"Se você enchesse o sistema solar com chumbo cinquenta vezes além da órbita de Plutão, cerca de metade dos neutrinos emitidos pelo sol ainda deixariam o sistema solar sem interagir com esse chumbo, "disse Robertson.
Neutrinos também são partículas misteriosas que já abalaram a física, cosmologia e astrofísica. O modelo padrão da física de partículas previu que os neutrinos não deveriam ter massa. Mas em 2001, cientistas mostraram com dois detectores, Super-Kamiokande e o Observatório Sudbury Neutrino, que eles realmente têm uma massa diferente de zero - um avanço reconhecido em 2015 com o Prêmio Nobel de Física. Neutrinos têm massa, mas quanto?
"Resolver a massa do neutrino nos levaria a um admirável mundo novo de criação de um novo Modelo Padrão, "disse Doe.
A descoberta do KATRIN deriva de medições de alta precisão de como um tipo raro de par elétron-neutrino compartilha energia. Esta abordagem é a mesma que os experimentos de massa de neutrinos da década de 1990 e início de 2000 em Mainz, Alemanha, e Troitsk, Rússia, ambos definem o limite superior anterior da massa em 2 eV. O coração do experimento KATRIN é a fonte que gera pares de elétron-neutrino:trítio gasoso, um isótopo de hidrogênio altamente radioativo. À medida que o núcleo do trítio sofre decomposição radioativa, ele emite um par de partículas:um elétron e um neutrino, ambos compartilhando 18, 560 eV de energia.
Os cientistas do KATRIN não podem medir diretamente os neutrinos, mas eles podem medir elétrons, e tente calcular as propriedades do neutrino com base nas propriedades do elétron.
A maioria dos pares elétron-neutrino emitidos pelo trítio compartilham sua carga de energia igualmente. Mas em casos raros, o elétron consome quase toda a energia - deixando apenas uma pequena quantidade para o neutrino. Esses pares raros são o que os cientistas do KATRIN procuram porque - graças a E =mc2 - os cientistas sabem que a minúscula quantidade de energia que resta para o neutrino deve incluir sua massa restante. Se KATRIN pode medir com precisão a energia do elétron, eles podem calcular a energia do neutrino e, portanto, sua massa.
A fonte de trítio gera cerca de 25 bilhões de pares elétron-neutrino a cada segundo, apenas uma fração deles são pares em que o elétron consome quase toda a energia de decaimento. A instalação KATRIN em Karlsruhe usa uma série complexa de ímãs para canalizar o elétron para longe da fonte de trítio e em direção a um espectrômetro eletrostático, que mede a energia dos elétrons com alta precisão. Um potencial elétrico dentro do espectrômetro cria um "gradiente de energia" que os elétrons devem "subir" para passar pelo espectrômetro para detecção. Ajustar o potencial elétrico permite que os cientistas estudem os raros, elétrons de alta energia, que carregam informações sobre a massa do neutrino.
Nesta imagem de 2010, membros do experimento KATRIN posam em frente ao espectrômetro depois que ele foi instalado no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe. Crédito:Joachim Wolf / Karlsruhe Institute of Technology
As instituições dos EUA fizeram amplas contribuições para KATRIN, incluindo o fornecimento do sistema detector de elétrons - o "olho" de KATRIN - que olha para o coração do espectrômetro, um instrumento construído na UW. A Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill liderou o desenvolvimento do sistema de aquisição de dados do detector, os "cérebros" de KATRIN. A contribuição do MIT foi o projeto e desenvolvimento do software de simulação usado para modelar a resposta do KATRIN. O Laboratório Nacional Lawrence Berkeley contribuiu para a criação do programa de análise física e forneceu acesso às instalações de computação nacionais, e a análise rápida foi possibilitada por um conjunto de aplicativos originado no UW. A Case Western Reserve University foi responsável pelo projeto do canhão de elétrons, central para calibrar o aparelho KATRIN. Carnegie Mellon University contribuiu principalmente para a análise, com atenção especial ao plano de fundo e ao encaixe, e auxiliou na coordenação de análises para o experimento.
Com a aquisição de dados de trítio em andamento, As instituições dos EUA estão focadas na análise desses dados para melhorar ainda mais nossa compreensão da massa de neutrino. Esses esforços também podem revelar a existência de neutrinos estéreis, um possível candidato para a matéria escura que, embora seja responsável por 85% da matéria no universo, permanece indetectado.
"KATRIN não é apenas um farol brilhante de pesquisa fundamental e um instrumento de alta tecnologia excepcionalmente confiável, mas também um motor de cooperação internacional, que fornece treinamento de primeira classe para jovens pesquisadores, ", disse o co-porta-voz da KATRIN, Guido Drexlin, do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, e Christian Weinheimer da Universidade de Münster, em um comunicado.
Agora que os cientistas do KATRIN estabeleceram um novo limite superior para a massa do neutrino, os cientistas do projeto estão trabalhando para estreitar ainda mais o alcance.
"Neutrinos são pequenas partículas estranhas, "disse Doe." Eles são tão onipresentes, e há muito que podemos aprender depois de determinarmos esse valor. "
O Escritório de Física Nuclear do Departamento de Energia dos EUA financiou a participação dos EUA no experimento KATRIN desde 2007.
