Os neutrinos são as mais leves de todas as partículas conhecidas que têm massa. No entanto, seu comportamento enquanto viajam pode ajudar a responder a um dos maiores quebra-cabeças da física:por que o universo atual é feito principalmente de matéria quando o Big Bang deveria ter produzido quantidades iguais de matéria e antimatéria. Em dois artigos recentes, a colaboração NA61 / SHINE relata medições de partículas que são cruciais para experimentos baseados em aceleradores que estudam esse comportamento de neutrino.

Os neutrinos vêm em três tipos, ou "sabores, "e experimentos de neutrino estão medindo com detalhes cada vez maiores como eles e suas contrapartes de antimatéria, antineutrinos, "oscilam" de um sabor para outro enquanto viajam. Se acabar que neutrinos e antineutrinos oscilam de maneira diferente um do outro, isso pode ser parcialmente responsável pelo atual desequilíbrio matéria-antimatéria.

Os experimentos de neutrinos baseados em aceleradores procuram por oscilações de neutrinos, produzindo um feixe de neutrinos de um sabor e medindo o feixe depois que ele percorreu uma longa distância. Os feixes de neutrino são normalmente produzidos disparando um feixe de prótons de alta energia em comprimentos, alvos finos de carbono ou berílio. Essas interações próton-alvo produzem hádrons, como píons e kaons, que são focados usando chifres de alumínio magnético e direcionados em longos túneis, em que eles se transformam em neutrinos e outras partículas.

Para obter uma medição confiável das oscilações de neutrinos, os pesquisadores que trabalham nesses experimentos precisam estimar o número de neutrinos no feixe antes da oscilação e como esse número varia com a energia das partículas. Estimar este "fluxo de neutrino" é difícil, porque os neutrinos interagem muito fracamente com outras partículas e não podem ser medidos facilmente. Para contornar isso, os pesquisadores estimam, em vez disso, o número de hádrons. Mas medir o número de hádrons também é um desafio, porque há muitos deles para medir com precisão.

É aqui que entram os experimentos como o NA61 / SHINE no Super Proton Synchrotron do CERN. O NA61 / SHINE pode reproduzir as interações próton-alvo que geram os hádrons que se transformam em neutrinos. Ele também pode reproduzir as interações subsequentes que os prótons e os hádrons sofrem nos alvos e nos chifres de foco. Essas interações subsequentes podem produzir hádrons produtores de neutrinos adicionais.

A colaboração NA61 / SHINE mediu previamente os hadrões gerados em experimentos a 31 GeV / c de energia de prótons (onde c é a velocidade da luz) para ajudar a prever o fluxo de neutrinos no experimento de oscilação de neutrino de Tokai-to-Kamioka (T2K) no Japão . A colaboração também vem coletando dados em energias de 60 e 120 GeV / c para beneficiar o MINERνA, Experimentos NOνA e DUNE no Fermilab nos EUA. A análise desses conjuntos de dados está progredindo bem e, mais recentemente, levou a dois artigos:um descrevendo medições de interações de prótons com carbono, berílio e alumínio, e outro relatando medições de interações de píons com carbono e berílio.

"Esses resultados são cruciais para os experimentos de neutrino do Fermilab, "diz Laura Fields, membro da colaboração NA61 / SHINE e co-porta-voz do MINERνA. "Para prever os fluxos de neutrinos para esses experimentos, os pesquisadores precisam de uma simulação extremamente detalhada de toda a linha de luz e de todas as interações que acontecem dentro dela. Para essa simulação, precisamos saber a probabilidade de que cada tipo de interação aconteça, as partículas que serão produzidas, e suas propriedades. Portanto, medições de interação, como as mais recentes, serão vitais para tornar essas simulações muito mais precisas, " Ela explica.

"Olhando para o futuro, NA61 / SHINE se concentrará em medições para a próxima geração de experimentos de oscilação de neutrino, incluindo DUNE e T2HK no Japão, para permitir que esses experimentos produzam resultados de alta precisão na física dos neutrinos, "Conclui Fields.