Um grupo internacional de mais de 260 cientistas produziu um dos testes mais rigorosos para a existência de neutrinos estéreis até hoje. Os cientistas de dois grandes grupos experimentais internacionais, MINOS + no Fermilab e Daya Bay do Departamento de Energia na China, estão relatando resultados em Cartas de revisão física descartando oscilações em um neutrino estéril como a principal explicação para observações inesperadas de experimentos recentes.

O MINOS + estuda o desaparecimento de neutrinos de múon produzidos por um acelerador do Fermilab e se propagando para um detector subterrâneo no norte de Minnesota, a 735 quilômetros de distância. Daya Bay usa oito detectores de design idêntico para medir com precisão como os neutrinos de elétrons emitidos por seis reatores nucleares na China "desaparecem" à medida que se transformam em outros tipos.

Neutrinos são partículas elementares que, como elétrons, não pode ser dividido em componentes menores. Eles são diferentes de qualquer outra partícula conhecida, pois são capazes de penetrar quantidades extremamente grandes de matéria sem parar. Se um neutrino é disparado da superfície da Terra em direção ao seu centro, há uma grande probabilidade de que apareça intacto do outro lado.

Existem três tipos conhecidos de neutrinos:elétron, muon e tau. Cerca de duas décadas atrás, os cientistas descobriram que eles podem se transformar de um tipo em outro por meio de um fenômeno chamado "oscilação de neutrino, "uma descoberta que recebeu o Prêmio Nobel de Física de 2015. Por exemplo, um neutrino criado como um tipo de elétron viajando pelo espaço pode mais tarde ser identificado como um tipo de múon ou tipo tau.

Embora a grande maioria dos dados acumulados até o momento possam ser explicados por três neutrinos conhecidos, alguns experimentos relataram observações anômalas, sugerindo a existência de tipos adicionais. Entre eles estão o experimento LSND no Laboratório Nacional de Los Alamos e o experimento MiniBooNE no Fermilab. Ambos expuseram seus detectores a um feixe de neutrinos de múon e relataram um excesso de eventos candidatos a neutrino de elétrons além do que seria esperado de oscilações envolvendo apenas os três tipos conhecidos de neutrino, mas possivelmente reconciliável se um novo tipo de neutrino - um neutrino estéril - estivesse envolvido. Neutrinos estéreis não seriam diretamente detectáveis, mas sua oscilação com os três neutrinos conhecidos forneceria um caminho único para estabelecer sua existência.

Contudo, os novos resultados de Daya Bay e MINOS + questionam essa possibilidade como uma explicação dos resultados do LSND e do MiniBooNE.

"As apostas são altas; se essa interpretação tentadora dos resultados anômalos foi confirmada, uma revolução na física aconteceria. Neutrinos estéreis se tornariam as primeiras partículas a serem encontradas fora do Modelo Padrão, nossa melhor teoria atual de partículas elementares e suas interações. Eles também podem ser candidatos à matéria escura e podem ter consequências importantes na cosmologia, "disse o cientista de Daya Bay Pedro Ochoa-Ricoux, professor associado de física e astronomia na UC Irvine.

"Esta estreita colaboração de MINOS + e cientistas de Daya Bay permitiu a combinação de duas restrições líderes mundiais complementares sobre neutrinos de múon e antineutrinos de elétron que desaparecem em neutrinos estéreis, "disse Alexandre Sousa, professor associado de física da Universidade de Cincinnati e um dos cientistas do MINOS + que trabalharam na análise. O desaparecimento de ambas as partículas precisa ocorrer para que os (anti) neutrinos de elétrons apareçam em uma fonte de (anti) neutrino de múon por meio de oscilações estéreis com um único neutrino estéril. "Portanto, o resultado combinado é uma sonda muito poderosa dos indícios de neutrinos estéreis que temos até agora."

As medições de desaparecimento de neutrino por MINOS + e Daya Bay são agora tão precisas que essencialmente excluem a explicação das observações anômalas combinadas de LSND, MiniBooNE e outros experimentos exclusivamente por meio de oscilações de neutrinos estéreis, de acordo com Ochoa-Ricoux.

"Todos nós ficaríamos absolutamente emocionados em encontrar evidências de neutrinos estéreis, mas os dados que coletamos até agora não suportam nenhum tipo de oscilação com essas partículas exóticas, " ele disse.

A análise combinada relatada por Daya Bay e MINOS + não apenas descartou o tipo específico de oscilação de neutrino estéril que explicaria os resultados anômalos, mas também procurou outras assinaturas de neutrino estéreis com sensibilidade nunca antes alcançada, rendendo alguns dos limites mais rigorosos sobre a existência dessas partículas indescritíveis até o momento.

"Os dois experimentos usam vários detectores com incertezas bem compreendidas e coletaram um grande número de eventos sem precedentes. Exigir consistência entre os conjuntos de dados dos dois experimentos fornece um teste muito rigoroso da existência de neutrinos estéreis, "disseram os porta-vozes do MINOS +, Jenny Thomas, professor da University College London, e Karol Lang, professora da Universidade do Texas em Austin.

"Este esforço conjunto aborda de forma muito eficaz um problema fundamental da física, "disse o porta-voz de Daya Bay, Kam-Biu Luk, do Lawrence Berkeley National Laboratory e UC Berkeley e Jun Cao do Instituto de Física de Altas Energias de Pequim." Embora ainda haja espaço para um neutrino estéril à espreita nas sombras, reduzimos significativamente o espaço de esconderijo disponível. "