Os resultados do experimento KATRIN excluem um neutrino estéril leve com uma massa entre 3 e 30 elétron-volt. Um neutrino dentro deste intervalo teria se revelado por uma curva na linha laranja, por exemplo. como mostrado aqui a 10 elétronvolt abaixo do valor final de 18,6 quiloeletronvolt. (Linha verde:espectro de um neutrino estéril de luz virtual com uma massa de 10 eV; linha azul:espectro do clássico, neutrino ativo; linha laranja:espectro combinado. Crédito:Trama:colaboração KATRIN
Existem muitas questões em torno do neutrino de partícula elementar, em particular no que diz respeito à sua massa. Os físicos também estão interessados em saber se, além dos neutrinos "clássicos", existem variantes como os chamados neutrinos estéreis. O experimento KATRIN agora teve sucesso em estreitar fortemente a busca por essas partículas indescritíveis. A publicação apareceu recentemente no jornal Cartas de revisão física .
Estritamente falando, o neutrino não é uma única partícula, mas compreende várias espécies:o neutrino do elétron, o neutrino do múon, e o neutrino tau. Essas partículas estão constantemente se transformando umas nas outras em um processo conhecido como oscilação de neutrino. Presume-se que os neutrinos tenham massa; isso deve ser determinado no experimento KATRIN, que começou em 2019 no Karlsruhe Institute for Technology (KIT). De acordo com os resultados até o momento, o neutrino tem massa menor que 1 elétron volt.
O KATRIN também poderia ser usado para rastrear espécies relacionadas que até agora eram apenas hipotéticas:os neutrinos estéreis. O ramo mais pesado (massa na faixa de quiloeletronvolt) é considerado um candidato a matéria escura e será procurado após a instalação de um novo detector no KATRIN. Além disso, pode haver também um tipo de neutrino estéril mais leve.
Novos critérios de exclusão para o neutrino estéril à luz
Muitos experimentos procuram neutrinos estéreis leves (massa na faixa do elétron-volt). Também pode se revelar no experimento KATRIN. A massa e a proporção de mistura de neutrinos ativos (normais) e estéreis desempenham um papel fundamental na busca do neutrino estéril leve.
A área à esquerda das linhas mostra os intervalos de pesquisa dos vários experimentos para o neutrino estéril à luz. A área dentro das linhas verdes marca o local mais provável para neutrinos estéreis leves. As avaliações do experimento KATRIN (linha sólida azul) reduzem significativamente esse intervalo de pesquisa. Crédito:Trama:colaboração KATRIN
Susanne Mertens e sua equipe no Instituto Max Planck de Física (MPP) conseguiram definir novos limites de exclusão com a ajuda do KATRIN. "Com nossas avaliações, fomos capazes de reduzir significativamente a área de pesquisa para este neutrino, "diz Mertens.
Com a nova análise dos dados KATRIN, desenvolvido pelo grupo de Susanne Mertens e Thierry Lasserre no MPP, a existência de neutrinos estéreis com uma massa entre cerca de 3 e 30 eletronvolts e uma proporção de mistura maior que 10% pode agora ser descartada. Este resultado complementa os limites de exclusão alcançados anteriormente.
Pesquise medindo a massa do neutrino
Mas como o KATRIN pode encontrar neutrinos estéreis? Usando o mesmo método, o experimento também determina a massa do neutrino ativo. A massa do neutrino pode ser medida via decaimento radioativo. KATRIN usa trítio (água pesada) para este propósito. Quando um próton é convertido em um nêutron, um neutrino e um elétron são produzidos. A energia de decaimento de 18,6 kiloeletronvolts é dividida entre eles.
"Sabemos que o neutrino é extremamente leve e recebe apenas uma pequena fração da energia de decaimento, "diz Mertens." A energia máxima do elétron é reduzida pela massa do neutrino. "A massa do neutrino, portanto, resulta da diferença entre a energia de decaimento e a energia máxima do elétron.
A detecção do neutrino estéril à luz seguiria o mesmo princípio. Se neutrinos estéreis também forem liberados durante a decadência radioativa, isso deixaria um traço visível no espectro de energia dos elétrons. "Então, uma curva clara apareceria na curva", explica Mertens. "Isso permitiria ao KATRIN não apenas determinar a massa dos neutrinos ativos, mas também provar a existência de outra espécie de neutrino."
