Ao longo de quase nove anos, o experimento de neutrinos do reator Daya Bay capturou cinco milhões e meio de interações sem precedentes de partículas subatômicas chamadas neutrinos. Agora, a equipe internacional de físicos da colaboração Daya Bay relatou o primeiro resultado do conjunto de dados completo do experimento – a medida mais precisa até agora de theta13, um parâmetro chave para entender como os neutrinos mudam seu “sabor”. O resultado, anunciado hoje na conferência Neutrino 2022 em Seul, Coreia do Sul, ajudará os físicos a explorar alguns dos maiores mistérios que cercam a natureza da matéria e do universo.
Neutrinos são partículas subatômicas que são notoriamente elusivas e tremendamente abundantes. Eles bombardeiam infinitamente cada centímetro da superfície da Terra quase à velocidade da luz, mas raramente interagem com a matéria. Eles podem viajar por um ano-luz de chumbo sem perturbar um único átomo.

Uma das características que definem essas partículas fantasmagóricas é sua capacidade de oscilar entre três "sabores" distintos:neutrino do múon, neutrino do tau e neutrino do elétron. O experimento de neutrinos do reator Daya Bay foi projetado para investigar as propriedades que ditam a probabilidade dessas oscilações, ou o que é conhecido como ângulos de mistura e divisões de massa.

Apenas um dos três ângulos de mistura permaneceu desconhecido no momento em que Daya Bay foi projetado em 2007:theta13. Assim, Daya Bay foi construído para medir theta13* com maior sensibilidade do que qualquer outro experimento.

Operando em Guangdong, China, o Daya Bay Reactor Neutrino Experiment consiste em grandes detectores de partículas cilíndricas imersos em piscinas de água em três cavernas subterrâneas. Os oito detectores captam sinais de luz gerados por antineutrinos que fluem de usinas nucleares próximas. Os antineutrinos são as antipartículas dos neutrinos e são produzidos em abundância por reatores nucleares. Daya Bay foi construída por meio de um esforço internacional e uma parceria inédita para um grande projeto de física entre a China e os Estados Unidos. O Instituto de Física de Alta Energia (IHEP) da Academia Chinesa de Ciências, com sede em Pequim, lidera o papel da China na colaboração, enquanto o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e o Laboratório Nacional Brookhaven co-lideram a participação dos EUA.

Para determinar o valor de theta13, os cientistas de Daya Bay detectaram neutrinos de um sabor específico – neste caso, antineutrinos de elétrons – em cada uma das cavernas subterrâneas. Duas cavernas estão perto dos reatores nucleares e a terceira caverna está mais longe, proporcionando ampla distância para os antineutrinos oscilarem. Ao comparar o número de antineutrinos de elétrons captados pelos detectores próximos e distantes, os físicos calcularam quantos sabores mudaram e, consequentemente, o valor de theta13.

Os físicos de Daya Bay fizeram a primeira medição conclusiva do mundo de theta13 em 2012 e, posteriormente, melhoraram a precisão da medição à medida que o experimento continuava coletando dados. Agora, após nove anos de operação e o término da coleta de dados em dezembro de 2020, excelente desempenho do detector e análise de dados dedicada, o Daya Bay superou em muito as expectativas. Trabalhando com o conjunto de dados completo, os físicos agora mediram o valor de theta13 com uma precisão duas vezes e meia maior do que o objetivo do projeto do experimento. Não se espera que nenhum outro experimento existente ou planejado atinja um nível tão requintado de precisão.

"Tivemos várias equipes de análise que examinaram minuciosamente todo o conjunto de dados, levando em consideração cuidadosamente a evolução do desempenho do detector ao longo dos nove anos de operação", disse o porta-voz do Daya Bay, Jun Cao, do IHEP. "As equipes aproveitaram o grande conjunto de dados não apenas para refinar a seleção de eventos de antineutrinos, mas também para melhorar a determinação de fundos. Esse esforço dedicado nos permitiu atingir um nível de precisão incomparável".

A medição de precisão de theta13 permitirá que os físicos meçam mais facilmente outros parâmetros na física de neutrinos, além de desenvolver modelos mais precisos de partículas subatômicas e como elas interagem.

Ao investigar as propriedades e interações dos antineutrinos, os físicos podem obter informações sobre o desequilíbrio de matéria e antimatéria no universo. Os físicos acreditam que matéria e antimatéria foram criadas em quantidades iguais na época do Big Bang. Mas se fosse esse o caso, esses dois opostos deveriam ter se aniquilado, deixando para trás apenas a luz. Alguma diferença entre os dois deve ter derrubado a balança para explicar a preponderância da matéria (e a falta de antimatéria) no universo hoje.

“Esperamos que possa haver alguma diferença entre neutrinos e antineutrinos”, disse o físico de Berkeley e co-porta-voz de Daya Bay, Kam-Biu Luk. "Nunca detectamos diferenças entre partículas e antipartículas para léptons, o tipo de partículas que inclui neutrinos. Detectamos apenas diferenças entre partículas e antipartículas para quarks. Mas as diferenças que vemos com os quarks não são suficientes para explicar por que há mais matéria do que antimatéria no universo. É possível que os neutrinos sejam a arma fumegante."

A última análise do conjunto de dados final de Daya Bay também forneceu aos físicos uma medição precisa da divisão de massa. Esta propriedade dita a frequência das oscilações dos neutrinos.

"A medição da divisão de massa não era um dos objetivos originais do projeto de Daya Bay, mas tornou-se acessível graças ao valor relativamente grande de theta13", disse Luk. "Medimos a divisão de massa para 2,3% com o conjunto de dados final de Daya Bay, uma melhoria em relação à precisão de 2,8% da medição anterior de Daya Bay".

No futuro, a colaboração internacional de Daya Bay espera relatar descobertas adicionais do conjunto de dados final, incluindo atualizações de medições anteriores.

Experimentos de neutrinos de próxima geração, como o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), alavancarão os resultados de Daya Bay para medir e comparar com precisão as propriedades de neutrinos e antineutrinos. Atualmente em construção, DUNE fornecerá aos físicos o feixe de neutrinos mais intenso do mundo, detectores subterrâneos separados por 800 milhas e a oportunidade de estudar o comportamento dos neutrinos como nunca antes.

"Como um dos muitos objetivos da física, DUNE espera eventualmente medir theta13 quase tão precisamente quanto Daya Bay", disse a física experimental de Brookhaven e colaboradora de Daya Bay, Elizabeth Worcester. "Isso é empolgante porque teremos medições precisas de theta13 de diferentes canais de oscilação, que testarão rigorosamente o modelo de três neutrinos. diferenças entre as propriedades de neutrinos e antineutrinos."

Os cientistas também aproveitarão o grande valor teta13 e os neutrinos do reator para determinar qual dos três neutrinos é o mais leve. “A medição precisa do theta13 de Daya Bay melhora a sensibilidade de ordenação em massa do Observatório de Neutrino Subterrâneo de Jiangmen (JUNO), que concluirá a construção na China no próximo ano”, disse Yifang Wang, porta-voz da JUNO e diretor do IHEP. “Além disso, o JUNO alcançará uma precisão de nível abaixo do percentual na divisão de massa medida por Daya Bay em vários anos”. + Explorar mais

Cientistas se despedem do local de Daya Bay e prosseguem com a análise final dos dados