Entre os desafios mais emocionantes da física moderna está a identificação da ordem da massa dos neutrinos. Os físicos do Cluster of Excellence PRISMA + da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) desempenham um papel de liderança em um novo estudo que indica que o quebra-cabeça da ordenação da massa de neutrinos pode finalmente ser resolvido nos próximos anos. Isso será graças ao desempenho combinado de dois novos experimentos de neutrinos que estão em andamento - o experimento Upgrade of the IceCube no Pólo Sul e o Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) na China. Em breve, eles darão aos físicos acesso a dados muito mais sensíveis e complementares sobre o ordenamento da massa de neutrinos.

Os neutrinos são os camaleões entre as partículas elementares

Os neutrinos são produzidos por fontes naturais - no interior do sol ou outros objetos astronômicos, por exemplo - mas também em grandes quantidades por usinas nucleares. Contudo, eles podem passar pela matéria normal - como o corpo humano - praticamente sem obstáculos, sem deixar vestígios de sua presença. Isso significa que métodos extremamente complexos que requerem o uso de detectores massivos são necessários para observar as reações raras ocasionais nas quais essas 'partículas fantasmas' estão envolvidas.

Os neutrinos vêm em três tipos diferentes:elétrons, neutrinos de múon e tau. Eles podem mudar de um tipo para outro, um fenômeno que os cientistas chamam de 'oscilação de neutrino'. É possível determinar a massa das partículas a partir da observação dos padrões de oscilação. Por anos agora, os físicos vêm tentando estabelecer qual dos três neutrinos é o mais leve e o mais pesado. Prof. Michael Wurm, um físico do Cluster de Excelência PRISMA + e do Instituto de Física do JGU, que está desempenhando um papel fundamental na criação do experimento JUNO na China, explica:“Acreditamos que responder a esta pergunta contribuirá significativamente para nos permitir reunir dados de longo prazo sobre a violação da simetria matéria-antimatéria no setor de neutrinos. usando esses dados, esperamos descobrir de uma vez por todas por que a matéria e a antimatéria não se aniquilaram completamente após o Big Bang. "

Cooperação global compensa

Ambos os experimentos em grande escala usam métodos muito diferentes e complementares para resolver o quebra-cabeça do ordenamento da massa dos neutrinos. "Uma abordagem óbvia é combinar os resultados esperados de ambos os experimentos, "destaca o Prof. Sebastian Böser, também do Cluster de Excelência PRISMA + e do Instituto de Física do JGU, que pesquisa neutrinos e é um grande contribuidor para o experimento IceCube.

Não antes de dizer que acabou. Na edição atual da revista Revisão Física D , pesquisadores do IceCube e da colaboração JUNO publicaram uma análise combinada de seus experimentos. Por esta, os autores simularam os dados experimentais previstos em função do tempo de medição de cada experimento. Os resultados variam dependendo se as massas de neutrinos estão em sua ordem normal ou reversa (invertida). Próximo, os físicos realizaram um teste estatístico, em que aplicaram uma análise combinada aos resultados simulados de ambos os experimentos. Isso revelou o grau de sensibilidade com que os dois experimentos combinados poderiam prever a ordem correta, ou melhor, descartar a ordem errada. Como os padrões de oscilação observados no JUNO e no IceCube dependem da ordem real da massa do neutrino de uma forma específica para cada experimento, o teste combinado tem um poder discriminante significativamente maior do que os resultados experimentais individuais. A combinação permitirá, assim, excluir definitivamente a ordem incorreta da massa de neutrinos dentro de um período de medição de três a sete anos.

"Nesse caso, o todo realmente é mais do que a soma de suas partes, "conclui Sebastian Böser." Aqui temos evidências claras da eficácia de uma abordagem experimental complementar quando se trata de resolver os quebra-cabeças de neutrinos restantes. "" Nenhum experimento poderia conseguir isso por si só, seja a atualização do IceCube, JUNO ou qualquer um dos outros atualmente em execução, "acrescenta Michael Wurm." Além disso, apenas mostra o que os físicos de neutrinos aqui em Mainz podem alcançar trabalhando juntos. "